Chemistry | High school » Az elektrolízis

http://www.doksihu Az elektrolízis Az elektronátmenettel járó reakciók Az oxidáció e- leadást, a redukció e- felvételt jelent. A két folyamat egymást feltételezi: az oxidálódó anyag elektront ad át a partnerének, vagyis redukálja azt, a redukálódó anyag pedig partnerének oxidálószere. Az oxidációs szám az anyagot alkotó „atomok” tényleges vagy névleges töltése. Az elemi állapotú anyagokban az atomok oxidációs száma 0. A vegyületekben a kötésben részt vevő elektronokat a nagyobb EN-sú atomokhoz rendelve kapjuk meg az oxidációs szám értékét. Ebből következően vegyületekben az oxidációs számok összege nullát ad, összetett ionokban pedig megegyezik az ion töltésével. Az oxidációs szám megállapítása: - egyszerű ionok esetében az oxidációs szám megegyezik töltésükkel - a hidrogén oxidációs száma ált. +1 (kivéve hidridek -1) - az oxigén oxidációs szám vegyületekben ált. -2 (kivéve F 2 O {+2},

peroxidok {-1}) Oxidációs számváltozások: Oxidáció esetében az adott atom oxidációs száma nő, redukció esetén az adott atom oxidációs száma csökken. Elektrokémia A galvánelem A galvánelem két elektródból álló berendezés, melyben a két elektród elektrolit oldata „érintkezik” egymással. Elektródnak nevezzük egy anyag redukált és oxidált alakjából álló rendszert. A galváncellák olyan berendezések, amelyek kémiai energiát alakítanak át elektromos energiává. Egyik egyszerű példája a Daniell-elem: A galváncella pólusait a standardpotenciálok lapján döntjük el. A standardpotenciálok összehasonlításával megbecsülhetjük a vizes oldatban lezajló redoxireakciók irányát is: a reakciópartnerek közül a kisebb standardpotenciálú redoxirendszer képes oxidálódni, a nagyobb standardpotenciálú redukálódni. Ez azt jelenti, hogy csak akkor mehet végbe a kémiai reakció, ha a kisebb standardpotenciálú rendszer redukált

és a nagyobb oxidált alakját reagáltatjuk egymással. ε°(Cu2+/Cu)=0,34V Katód ε°(Zn2+ - Zn(sz)‫׀‬Zn2+(aq)‫׀׀‬Cu2+(aq)‫׀‬Cu(sz) + P P P P A Zn elektród a – pólus, ez az anód, itt oxidáció megy végbe. A rézelektród a + pólus, ez a katód, itt redukció megy végbe. Az elektromotoros erő (E MF ) az a feszültség, amit a galvánelem pólusai között akkor mérünk, ha nem halad át áram a berendezésen. E MF =ε (katód) - ε (anód) U U U U R R R R R R R Az elektrolízis A galváncellában önként mennek végbe a redoxireakciók, s ezek elektromos áramot termelhetnek. Az elektrolízis során –az előzőekkel ellentétben- elektromos áram hatására mennek végbe redoxireakciók (kémiai változás), tehát az elektrolízis során az elektromos energia kémiai energiává alakul. U U U 1 http://www.doksihu A galvánelemben is megfordíthatjuk a folyamatok irányát, ha külső áramforrást alkalmazunk. A folyamatos

elektrolízishez az szükséges, hogy az egyenáramú áramforrás feszültsége meghaladja a galvánelem elektromotoros erejét. Pl. a Daniell-elemnél 1,10V-nál nagyobb feszültséget kapcsolunk rá Az elektrolizáló cella negatív pólusán (katód) redukció, a pozitív pólusán (anód) oxidáció megy végbe. A töltésmegmaradás törvénye: Egy áramkörben a katódon és az anódon áthaladó töltésmennyiség egyenlő, ezért a katódfolyamatot és az anódfolyamatot ugyanannyi töltésmennyiségre kell felírni. Az elektrolízis során mindig az a folyamat megy végbe, amelyhez kisebb energia szükséges. Ezt befolyásolja: - az elektród anyaga, - az oldatban lévő részecskék leválási potenciálja és az - oldatban lévő részecskék koncentrációja. Az elektródokon végbemenő folyamatokat több tényező is befolyásolja. Ha pl a NaCl olvadékába a reakcióban részt nem vevő (indifferens) Pt elektródokat mártunk és egyenáramot kapcsolunk, akkor a

negatív póluson a + töltésű, Na+ helyett, a H+ ,a pozitív póluson pedig a – Cl- semlegesítődnek. Katód 2H 2 O +2e- H 2 +2 OHAnód 2Cl- Cl 2 + 2eA katódon vizes oldatban, grafitelektródok esetén H 2 gáz fejlődik az alkálifém-ionok vagy az alkáli-földfém-ionok vizes oldatának elektrolízisekor, és nem történik fém kiválás. Fémkiválás csak a legtöbb nehézfémion (Cu+, Pb+, Ag+) vizes elektrolízisekor. Az anódon vizes oldatban grafitelektródok között a halogenid ionok oxidálódnak. A szulfát-, nitrát-, foszfát-, karbonát-, szulfitionoknál a víz molekulák e- leadása igényel kisebb energiát, ezért ezek elektrolízisekor, ezen ionok az oldatban maradnak és az anódon O 2 gáz keletkezik. Katód (lúgos irányba tolódik el az oldat pH-ja) 2H 2 O+2e-H 2 +2OHAnód (savas kémhatás tapasztalunk) 2H 2 O O 2 +4H++4ePl. kénsavoldat elektrolízisekor tulajdonképpen vízbontás történik Az elektrolízis mennyiségi törvényei Faraday I.

törvénye Faraday I. törvénye Szerint elektrolíziskor az egyes elektródokon leválasztott anyag tömege (m) egyenesen arányos az elektrolízis időtartamával (t) és az alkalmazott áramerősséggel (I): M=kIt, ahol a k az 1 C töltés által leválasztott anyag tömege, értéke az anyagi minőségtől függ. Faraday II. törvénye Az elektrolíziskor semlegesítődő ionok anyagmennyisége (n) és a semlegesítéshez /Zn)=-0,76V Anód szükséges töltés (Q) közti egyenes arányosságról szól. 1mol e- töltése pedig k 96 500 C, z-szeres töltésű ionra általánosítva ez a következő egyenlettel fejezhető ki: 96 500 C/mol állandót –amely független az anyagi minőségtől- Faraday-állandónk nevezték el, jele F. Az elektrolízist az iparban számos helyen alkalmazzák, pl. a NaOH-ot a kősó higanykatódos elektrolízisével, Al-ot pedig a timföld elektrolízisével állítják elő és több fém tisztítását is ezzel az eljárással oldják meg. 2