DANE INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Liceum Ogólnokształcące im. Bogusława X w Białogardzie ID grupy: 97/58_mf_g1 Opiekun: Ewa Jacewicz Kompetencja: matematyczno-fizyczna Temat projektowy: Elektroliza Semestr/rok szkolny: Semestr I / 2011/2012

Historia elektrolizy W 1803 roku A. Carlisle, W. Nicholson i H. Davy, badacze angielscy, zaobserwowali, że pod wpływem działania prądu wytworzonego w ogniwie, woda ulega rozkładowi. Oznaczało to, że procesy chemiczne można wymusić za pomocą prądu elektrycznego.

Definicja elektrolizy Elektroliza jest to całokształt zjawisk (szereg reakcji utleniania i redukcji) wywołanych przepływem prądu elektrycznego przez roztwory elektrolitów lub ich formę stopioną. Elektroliza jest procesem wymuszonym napięciem przyłożonym z zewnątrz. Najniższe napięcie zewnętrznego źródła prądu stałego niezbędne potrzebne do wywołania reakcji elektrodowej to napięcie rozkładowe. Jest ono równe co najmniej sile elektromotorycznej ogniwa w którym zachodzi reakcja samorzutnie analogiczna reakcja ale w kierunku przeciwnym.

Zjawiska elektrolizy 1) procesy transportu (wędrówka jonów do elektrod), 2) procesy przejścia ładunku (między elektrodami a składnikami roztworu: na elektrodzie ujemnej (katodzie) zachodzi redukcja kationów, na elektrodzie dodatniej (anodzie) - utlenianie anionów), 3) reakcje chemiczne poprzedzające lub następujące po procesach przejścia ładunku. Zjawiskom (1-3) odpowiadają na elektrodach nadnapięcia: dyfuzyjne, aktywacyjne i chemiczne. Wielkość nadnapięcia zależy od materiału elektrody i stanu jej powierzchni, gęstości prądu, rodzaju substancji wydzielanej na elektrodzie, składu roztworu elektrolitu, temperatury.

Definicja elektrody i elektrolizera W elektrolizie elektroda dodatnia to anoda (biegną na niej reakcje utleniania), a elektroda ujemna to katoda (biegnie na niej redukcja). ELEKTROLIZER Elektrolizer to urządzenie składające się z dwóch przewodników metalicznych, które są zanurzone w przewodniku jonowym. Przewodniki metaliczne (elektrody) są podłączone do źródła prądu stałego.

Schemat elektrolizy

Opis schematu Proces elektrolizy zachodzi w stopionych solach i roztworach wodnych kwasów, zasad oraz soli i przeprowadzany jest w urządzeniach nazywanych elektrolizerami. Elektrolizery mają inną budowę jak ogniwa galwaniczne. W elektrolizerach w odróżnieniu od ogniwa, elektrody znajdują się w jednym naczyniu zawierającym roztwór jednego elektrolitu. Na rysunku przedstawiono schemat elektrolizera stosowanego do wydzielenia miedzi z roztworu chlorku miedzi (II). Podobnie jak w ogniwie galwanicznym utlenianie zachodzi na anodzie, a redukcja na katodzie. Ruch elektronów od anody do katody odbywa się zewnętrznym przewodnikiem. W roztworze kationy poruszają się w kierunku elektrody zwanej katodą, a ujemnie naładowane aniony przesuwają się w stronę dodatnio naładowanej elektrody zwanej anodą. Jony po osiągnięciu elektrod podlegają następującym reakcjom. anoda: 2Cl-(c) --> Cl2(g) + 2e- katoda: Cu2+(c) + 2e- --> Cu(c)

Zmiany ilościowe w procesie elektrolizy opisują prawa Faradaya. I prawo elektrolizy Zmiany ilościowe w procesie elektrolizy opisują prawa Faradaya. I prawo elektrolizy: Masa substancji wydzielonej na elektrodzie w wyniku procesu elektrolizy jest wprost proporcjonalna do ładunku przepływającego przez elektrolit: m = k · I · t = k · Q gdzie: k - równoważnik elektrochemiczny I - natężenie prądu, A t - czas trwania elektrolizy m - masa substancji wydzielonej na elektrodzie, g Q - ładunek elektryczny, C

II prawo elektrolizy Równoważniki elektrochemiczne substancji k są proporcjonalne do ich równoważników chemicznych R gdzie R jest stosunkiem masy molowej do wartościowości w danego jonu ( R / w), a F 96519 C jest stałą Faradaya, którą można wyrazić za pomocą iloczynu liczby Avogadra i ładunku elementarnego F N e A .

Przykłady elektrolizy Elektroliza rozcieńczonego roztworu NaCl Rozcieńczony wodny roztwór NaCl daje w wyniku elektrolizy wodór i tlen. W procesach elektrodowych rozcieńczonych roztworów elektrolitów reagentami są również cząsteczki wody. Woda reaguje z katodą zdobywając elektrony 2H2O + 2e- --> H2 + OH- W wyniku reakcji katodowej powstaje wydzielający się przy katodzie wodór. Woda reaguje również z anodą tracąc elektrony czyli H+ + OH- + e- --> H + OH- 2H2O --> O2 + 4H+ + 4e- przy czym powstaje wydzielający się przy anodzie tlen. Ogólna reakcja elektrolizy wodnego rozcieńczonego roztworu NaCl ma postać 6H2O --> 2H2 (katoda) + O2 (anoda) + 4H+ + 4OH- Reakcja elektrolizy rozcieńczonego roztworu NaCl polega zasadniczo na rozkładzie wody 2H2O --> 2H2 + O2

2H+ + 2e- --> H2 (powstaje wodór) Elektroliza wodnego roztworu kwasu Podczas elektrolizy kwasów z reguły przy katodzie wydziela się wodór, a przy anodzie tlen lub inne produkty (np. Cl2 przy HCl). Roztwory kwasów tlenowych (H2SO4, H3PO4, HNO3, H2CO3) dają zawsze tlen i wodór. Jeżeli mamy do czynienia z roztworami rozcieńczonych kwasów, reakcje zachodzące w roztworze mają przebieg taki sam jak dla rozcieńczonych roztworów soli (patrz reakcje elektrodowe dla rozcieńczonych roztworów soli). W przypadku większych stężeń na katodzie mamy do czynienia z reakcją 2H+ + 2e- --> H2 (powstaje wodór) a na anodzie produktem utlenienia anodowego w przypadku anionów kwasów tlenowych jest tlen dostarczany przez jony OH- lub cząsteczki wody a w przypadku kwasów beztlenowych utlenieniu ulegają aniony reszt kwasowych (2Cl- --> Cl2 + 2e-) z wydzieleniem produktu np. chloru.

Elektroliza zasad Jeżeli poddaje się elektrolizie bardzo rozcieńczony roztwór zasady, a do elektrod nie przyłoży się z zewnętrznego źródła prądu zbyt dużego napięcia, to rozkładowi ulega głównie woda; w wyniku reakcji katodowej 2H2O + 2e- --> 2OH- + H2 i wydziela się wodór, natomiast w wyniku reakcji anodowej H2O --> 2H+ + 1/2O2 + 2e- wydziela się tlen, przy czym objętość tworzącego się wodoru jest dwukrotnie większa od objętości tworzącego się tlenu (w tych samych warunkach) W przypadku roztworów stężonych proces anodowy jest następujący: 2OH- --> H2O + 1/2O2 + 2e-

Zastosowanie elektrolizy Elektroliza jest procesem stosowanym na skalę przemysłową m.in. do: produkcji metali: aluminium, litu, sodu, potasu produkcji rozmaitych związków chemicznych, w tym kwasu trifluorooctowego, wodorotlenku sodu, potasu, chloranu sodu i chloranu potasu produkcji gazów: wodoru, chloru i tlenu. galwanizacji - pokrywanie cienką warstwą metalu innego metalu Aparaty do przeprowadzania elektrolizy nazywane są elektrolizerami.