background image

ELEKTROLIZA

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Zespół procesów fizycznych i chemicznych

zachodzących podczas przepływu przez 

elektrolit stałego prądu elektrycznego.

Michael Faraday

(1791-1867)

♦ podczas elektrolizy zachodzą procesy odwrotne

w stosunku do przemian zachodzących w czasie
pracy ogniwa galwanicznego;

♦ katodą jest zawsze elektroda, na której zachodzi

redukcja;

♦ anodą jest elektroda, na której zachodzi

utlenianie;

♦ znak elektrod jest przeciwny do znaku elektrod

w ogniwie galwanicznym;

K

A

e

e

background image

E

K

- potencjał katody;

η

K

- nadnapięcie procesu katodowego;

- potencjał wydzielania produktu reakcji katodowej;

E

A

- potencjał anody;

η

A

- nadnapięcie procesu anodowego;

- potencjał wydzielania produktu reakcji anodowej;

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

w

K

E

w

A

E

K

E

A

E

potencjał

SEM

r

U

K

 

η

 A

η

nadnapięcie elektrolizy:

η η

K

+  

η

A

w
K

E

w
A

E

K

K

w
K

η

E

E

=

A

A

w
A

η

E

E

+

=

U

r

= SEM + 

η

K

+  

η

A

Elektroda

0,3

0,4

0,2

0,25

-

O

2

-

0,1

-

0,2

0,4

H

2

(pH > 7)

0,5

0,1

0,6

0,5

0,7

H

2

(pH < 7)

C

Pt

Cu

Fe

Zn

Gaz wydzielany

U

r

- napięcie rozkładowe

(najmniejsze napięcie, jakie jest

potrzebne do zapoczątkowania

procesu elektrolizy)

;

SEM - siła elektromotoryczna;

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Me

z+

+  z · e  

→ Me

REAKCJE  KATODOWE

Gdy roztwór elektrolitu nie zawiera kationów metali,
które mogą rozładować się to:

2 H

+

+  2 e  

→ H

2

2 H

2

O  +  2 e  

→ H

2

+  2 OH

Jeżeli roztwór poddawany elektrolizie zawiera kilka kationów metali, np.:

 

...

  

E

 

E

 

E

  

oraz

   

,

  

...

  

,

Me

  

,

Me

  

,

Me

o
(3)

o
(2)

o
(1)

z
(3)

z
(2)

z
(1)

<

<

<

+

+

+

to rozładowaniu na katodzie ulega najpierw kation

o najwyższym potencjale wydzielania.

Gdy roztwór elektrolitu zawiera kationy metali,
których  E

o

> − 1,5 V to:

background image

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

2 X

→ X

2

+  2 e

(gdzie X = Cl, Br lub I)

REAKCJE  ANODOWE

Gdy roztwór elektrolitu nie zawiera takich anionów to:

2 OH

1

/

2

O

2

+  H

2

O  +  2 e

H

2

O  

1

/

2

O

2

+  2 H

+

+  2 e

Jeżeli roztwór poddawany elektrolizie zawiera kilka anionów, np.:

 

...

  

E

 

E

  

oraz

   

,

  

...

  

,

  A

,

A

o
(2)

o
(1)

-

m
(2)

-

m
(1)

<

to rozładowaniu na anodzie ulega najpierw anion

o najniższym potencjale wydzielania.

Gdy roztwór elektrolitu zawiera aniony niemetalu to:

Aniony kwasów tlenowych nie rozładowują się, a na anodzie 

zachodzi utlenianie wody (druga z podanych reakcji).

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Przykłady elektrolizy wodnych roztworów kwasów, zasad i soli

z zastosowaniem elektrod obojętnych (grafitowych):

HCl , H

2

SO

, NaOH , NiCl

, KBr , Cr

2

(SO

4

)

, NaNO

3

Elektroliza soli stopionych

Elektroliza wodnego roztworu CuSO

4

z zastosowaniem elektrod:

obojętnych

NaCl  

→ Na

+

+  Cl

K (−) Na

+

+  e  

→ Na

A (+) Cl

1

/

2

Cl

2

+  e

miedzianych

CuSO

4

→ Cu

2+

+  SO

4

2−

K (−) Cu

2+

+  2 e  

→ Cu

A (+) H

2

O  

1

/

2

O

2

+  2 H

+

+  2 e

CuSO

4

→ Cu

2+

+  SO

4

2−

K (−) Cu

2+

+  2 e  

→ Cu

A (+) Cu  

→ Cu

2+

+  2 e

(roztwarzanie anody !!!)

background image

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Elektroliza wodnych roztworów soli kwasów organicznych

z zastosowaniem elektrod obojętnych (grafitowych):

HCOONa , CH

3

COOK , Na

2

C

2

O

4

Podczas elektrolizy tego typu soli na anodzie zachodzi reakcja:

2 RCOO

→ R−R

+  2 CO

2

+  2 e

HCOONa  

→ Na

+

+  HCOO

K (−) 2  H

2

O  +  2 e  

→ H

2

+  2 OH

A (+) 2 HCOO

→ H

2

+  2 CO

2

+  2 e

CH

3

COOK  

→ K

+

+  CH

3

COO

K (−) 2  H

2

O  +  2 e  

→ H

2

+  2 OH

A (+) 2 CH

3

COO

→ CH

3

−CH

3

+  2 CO

2

+  2 e

Na

2

C

2

O

4

→ 2 Na

+

+  (COO

)

2

K (−) 2  H

2

O  +  2 e  

→ H

2

+  2 OH

A (+) (COO

)

2

→ 2 CO

2

+  2 e

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Przy przewidywaniu produktów reakcji elektrodowej należy uwzględnić:

Ö zmianę pH roztworu wywołaną przez procesy elektrodowe;

Ö możliwość roztwarzania materiału anody;

Ö nadnapięcia wydzielania wodoru i tlenu na różnych elektrodach;

Ö nadnapięcia wydzielania metali na różnych elektrodach;

np.:

- prowadzenie elektrolizy chlorków bądź kwasu solnego z użyciem

elektrody platynowej nie jest wskazane, ponieważ w tych warunkach
elektroda platynowa rozpuszcza się;

- podczas osadzania Zn, Fe, Ni w środowisku kwaśnym

jednocześnie z metalem wydziela się wodór;

- nadnapięcie wydzielania Zn na elektrodzie platynowej (

η

Zn

= 0,5 V)

jest tak duże, że nie można go wydzielić z roztworów kwaśnych.

background image

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

BILANS PROCESU ELEKTROLIZY

Masa substancji wydzielonej na elektrodzie w czasie elektrolizy jest proporcjonalna

do wielkości ładunku elektrycznego Q = I · t , który przepłynął przez elektrolit.

I prawo Faradaya

m - masa wydzielonej substancji 

- równoważnik elektrochemiczny

M - masa molowa wydzielonego jonu
z - liczba elektronów przeniesionych w reakcji elektrodowej 
F - stała Faradaya (F = 96500 C)

m = k · I · t

F

z

M

k

=

II prawo Faradaya

Masy różnych substancji wydzielone na elektrodach podczas przepływu

jednakowego ładunku elektrycznego Q = I · t są proporcjonalne

do ich równoważników elektrochemicznych.

)

I

(I

          

k

k

m

m

2

2

1

1

2

1

2

1

=

=