úvod
Do pohára s vodou, v ktorej je rozpustená lyžička síranu sodného, ponor dve grafitové tyčinky z ceruziek a pripoj ich k 9 V batérii. Na tyčinke pripojenej k zápornému pólu začnú hneď stúpať drobné bublinky, na druhej menej. Prúd vodu rozkladá na vodík a kyslík. Tomuto deju sa hovorí elektrolýza. V galvanickom článku z lekcie Galvanický článok redoxná reakcia vyrába prúd. Pri elektrolýze je to naopak: prúd zo zdroja poháňa redoxnú reakciu, ktorá by sama neprebehla.
teória
Čo je elektrolýza
Elektrolýza je rozklad látky jednosmerným elektrickým prúdom. Prebieha v elektrolyte, roztoku alebo tavenine, v ktorej sa voľne pohybujú ióny. Tuhá soľ prúd nevedie, lebo jej ióny sú pevne v kryštáli. Prečo, vysvetľuje lekcia Iónová väzba.
Do elektrolytu sú ponorené dve elektródy pripojené ku zdroju:
- katóda je pripojená k zápornému pólu. Putujú k nej katióny a prijímajú tam elektróny. Na katóde prebieha redukcia,
- anóda je pripojená ku kladnému pólu. Putujú k nej anióny a odovzdávajú tam elektróny. Na anóde prebieha oxidácia.
teória
Elektrolýza vody
Čistá voda prúd takmer nevedie, preto sa do nej pridá trochu síranu sodného alebo hydroxidu sodného. Pri elektrolýze sa rozkladá voda:
2 H₂O → 2 H₂ + O₂
Na katóde vzniká vodík, na anóde kyslík. Vodíka je dvakrát viac ako kyslíka, lebo z dvoch molekúl vody vzniknú dve molekuly vodíka a jedna molekula kyslíka. Keď plyny zachytíš do dvoch skúmaviek, vodík zaberie dvojnásobný objem. Takto sa dá vyrábať vodík ako palivo, ak je na to dosť elektriny, napríklad zo slnka, ako píše lekcia Vodík.
teória
Elektrolýza roztokov solí
Pri elektrolýze roztoku kuchynskej soli vzniká na anóde žltozelený chlór: 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻. Na katóde sa však nevylučuje sodík, ale vodík. Sodík je taký reaktívny, že elektróny namiesto jeho katiónov prijme voda. V roztoku pri katóde pribúda hydroxid sodný:
2 NaCl + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂ + Cl₂
Ukazuje to pokus Elektrolýza soľného roztoku. Takto sa v priemysle vyrába chlór aj hydroxid sodný, ako ukazujú lekcie Halogény a Hydroxidy a zásady.
Pri elektrolýze roztoku chloridu meďnatého sa na katóde vylučuje červenohnedá meď a na anóde uniká chlór: CuCl₂ → Cu + Cl₂. V roztoku modrej skalice (CuSO₄) sa na katóde tiež vylučuje meď, na anóde však vzniká kyslík z vody. Modrá farba roztoku postupne bledne, lebo ubúda meďnatých iónov.
vyskúšaj si
Elektrolyzér
Elektrolyt
Elektródy: grafitové. Prúd je vypnutý.
Čo vzniká na katóde (−)?
Tip: zapni prúd a sleduj elektródy.
Pri každom elektrolyte sa pýtaj: čo môže na katóde prijať elektróny? Ak sú v roztoku ióny ušľachtilého kovu, ako Cu²⁺, vylúči sa kov. Ak sú tam len ióny veľmi reaktívneho kovu, ako Na⁺ alebo K⁺, redukuje sa voda na vodík. Na anóde sa z chloridov uvoľní chlór, inak z vody vznikne kyslík.
teória
Na čo sa elektrolýza využíva
- Výroba kovov. Hliník sa vyrába elektrolýzou roztaveného oxidu hlinitého v kryolite, sodík elektrolýzou roztaveného chloridu sodného. Pre veľmi reaktívne kovy iný spôsob nie je, ako ukazujú lekcie Hliník a Alkalické kovy.
- Chlór a hydroxid sodný z roztoku kuchynskej soli, a pri tom aj vodík.
- Pokovovanie. Predmet, ktorý chceme pokryť kovom, sa zapojí ako katóda do roztoku soli toho kovu. Tak sa chrómujú vodovodné batérie v kúpeľni, niklujú súčiastky, striebria a zlatia šperky a pomeďujú kľúče.
- Rafinácia medi. Anóda z nečistej medi sa rozpúšťa a na katóde sa vylučuje meď čistá na 99,99 %, z ktorej sa ťahajú drôty.
- Eloxovanie. Hliníkový predmet sa zapojí ako anóda a vrstva oxidu na ňom zhrubne, ako píše lekcia Hliník.
teória
Elektrolýza a galvanický článok
| galvanický článok | elektrolýza | |
|---|---|---|
| energia | chemická sa mení na elektrickú | elektrická sa mení na chemickú |
| reakcia | prebieha sama | poháňa ju prúd zo zdroja |
| anóda (oxidácia) | záporný pól | kladný pól |
| katóda (redukcia) | kladný pól | záporný pól |
Nabíjanie akumulátora v mobile je elektrolýza: prúd z nabíjačky obráti reakciu, ktorá pri vybíjaní dodáva prúd. Batériám sa venuje ďalšia lekcia Batérie a akumulátory.
Tavenina a roztok
V tavenine sú len ióny látky, a tak sa vylúčia oba prvky: z roztaveného NaCl vzniká na katóde sodík a na anóde chlór, 2 NaCl → 2 Na + Cl₂. Vo vodnom roztoku súperia s iónmi aj molekuly vody a vylúči sa tá častica, ktorá sa redukuje alebo oxiduje ľahšie:
- na katóde sa vylučujú kovy s kladnejším potenciálom ako voda, napríklad Cu²⁺ a Ag⁺. Pri katiónoch K⁺, Na⁺, Mg²⁺ a Al³⁺ sa namiesto nich redukuje voda: 2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻,
- na anóde sa oxidujú anióny Cl⁻, Br⁻ a I⁻. Pri aniónoch SO₄²⁻ a NO₃⁻, ktoré majú prvok v najvyššom oxidačnom čísle, sa oxiduje voda: 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻.
Podľa potenciálov by sa z roztoku kuchynskej soli mal na anóde uvoľňovať skôr kyslík. Vylučovanie kyslíka však vyžaduje ďalšie napätie navyše, a tak z koncentrovaného roztoku vzniká chlór.
Pri elektrolýze modrej skalice s grafitovými elektródami sa roztok okysľuje: 2 CuSO₄ + 2 H₂O → 2 Cu + O₂ + 2 H₂SO₄. S medenou anódou sa namiesto vody oxiduje anóda sama, Cu → Cu²⁺ + 2 e⁻, a meď prechádza z anódy na katódu. Na tom stojí elektrolytická rafinácia: striebro a zlato z nečistej medi sa nerozpúšťajú a padajú pod anódu do anódového kalu, z ktorého sa potom získavajú.
Aby elektrolýza prebiehala, musí napätie zdroja prekročiť rozkladné napätie. Pre vodu je teoreticky 1,23 V, v praxi však treba asi 1,8 až 2 V, lebo vylučovanie plynov si žiada napätie navyše a časť sa stratí na odpore roztoku.
Faradayove zákony
Množstvo látky, ktorá sa pri elektrolýze vylúči, závisí od prenesených elektrónov. Prúd I za čas t prenesie náboj Q = I · t. Jeden mól elektrónov nesie náboj F = 96 485 C/mol, Faradayovu konštantu. Je to Avogadrova konštanta krát náboj elektrónu. Ak sa na jeden ión kovu spotrebuje z elektrónov, platí:
m = M · I · t / (z · F)
Príklad: prúd 2 A počas 30 minút prenesie Q = 2 · 1 800 = 3 600 C, teda 3 600 : 96 485 = 0,0373 mol elektrónov. Meďnatý ión potrebuje dva elektróny, vylúči sa 0,0187 mol medi, čo je 0,0187 · 63,55 = 1,19 g.
rozšírenie Davy: šesť prvkov za dva roky
Keď sa po Voltovom vynáleze rozšírili veľké batérie, anglický chemik Humphry Davy ich v Londýne použil na látky, ktoré nikto nevedel rozložiť. V roku 1807 elektrolýzou roztaveného hydroxidu draselného a sodného získal draslík a sodík. Keď sa na katóde objavili lesklé guľôčky, ktoré na vode horeli, vraj od radosti tancoval po laboratóriu. O rok neskôr pridal vápnik, stroncium, bárium a horčík.
Davyho asistent Michael Faraday neskôr elektrolýzu podrobne zmeral a sformuloval zákony, ktoré nesú jeho meno. Spolu s priateľmi vymyslel aj slová, ktoré dodnes používame: elektróda, anóda, katóda, elektrolyt a ión.
teória
Časté chyby
- „Pri elektrolýze roztoku NaCl vzniká sodík.“ Z roztoku vzniká na katóde vodík. Sodík sa vylúči len z taveniny, kde nie je voda.
- „Prúd v roztoku vedú elektróny.“ V elektrolyte sa pohybujú ióny, elektróny tečú len drôtmi a elektródami.
- „Čistá voda sa elektrolyzuje rovnako dobre.“ Čistá voda prúd takmer nevedie, treba do nej pridať elektrolyt.
- „Plyny z vody vznikajú v pomere 1 : 1.“ Vodíka vzniká dvakrát viac ako kyslíka, ako ukazuje rovnica 2 H₂O → 2 H₂ + O₂.
- „Pri elektrolýze sa energia uvoľňuje.“ Elektrolýza energiu spotrebúva, preto je výroba hliníka taká náročná na elektrinu. Energiu uvoľňuje galvanický článok.