Lydalų ir vandeninių tirpalų elektrolizė

Mokymosi tikslai

Paaiškinti jonų ir elektronų judėjimą elektrolizės grandinėje.
Užrašyti katodo redukcijos ir anodo oksidacijos pusreaktes.
Prognozuoti lydalo ir vandeninio tirpalo elektrolizės produktų skirtumus.
Apskaičiuoti produkto medžiagos kiekį iš perduotų elektronų kiekio arba elektros krūvio.

Sąvokos

Elektrolizė, elektrolitas, katodas, anodas, pusreaktė, inertinis elektrodas, tirpus elektrodas, elektros krūvis, Faradėjaus konstanta, elektrolitinis dengimas.

Elektrolizė naudoja išorinį elektros energijos šaltinį termodinamiškai nesavaiminei redokso reakcijai vykdyti. Katode visada vyksta redukcija, anode – oksidacija.

Prisimink

Elektrolizės elemente katodas prijungtas prie neigiamojo šaltinio poliaus ir tiekia elektronus, anodas – prie teigiamojo poliaus ir elektronus paima. Katijonai juda katodo, anijonai – anodo link.

Lydalo elektrolizė

Lydale yra tik druskos jonai, todėl produktus numatyti paprasčiau. Lydyto $\ce{NaCl}$ atveju:

Katode:

$\ce{Na+ + e- -> Na(l)}.$

Anode:

$\ce{2Cl- -> Cl2(g) + 2e-}.$

Bendroji lygtis:

$\ce{2NaCl(l) -> 2Na(l) + Cl2(g)}.$

Šis procesas negali būti pakeistas natrio chlorido vandeninio tirpalo elektrolize, nes tirpale katode lengviau redukuojamas vanduo, o ne $\ce{Na+}$ .

Vandeninio tirpalo konkurencija

Vandeniniame tirpale dėl elektrodo produkto konkuruoja tirpinio jonai ir vanduo. Konkreti baigtis priklauso nuo jonų prigimties, koncentracijos, elektrodo medžiagos ir sąlygų.

Koncentruoto $\ce{NaCl}$ tirpalo su inertiniais elektrodais mokykliniame modelyje:

$\ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}\quad\text{(katodas)},$

$\ce{2Cl- -> Cl2 + 2e-}\quad\text{(anodas)}.$

Tirpale lieka $\ce{Na+}$ ir susidarę $\ce{OH-}$ , todėl gaunamas bazinis tirpalas. Chloras yra toksiškas – tokia elektrolizė atliekama tik tinkamai įrengtoje laboratorijoje su trauka ir mokytojo priežiūra.

Vario(II) chlorido tirpalas

Pakankamai koncentruotame $\ce{CuCl2}$ tirpale su inertiniais elektrodais mokykliniame modelyje katode išsiskiria varis, anode – chloras:

$\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu},$

$\ce{2Cl- -> Cl2 + 2e-}.$

Naudojant tirpius varinius elektrodus, anode pats varis oksiduojasi:

$\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2e-},$

o katode $\ce{Cu^{2+}}$ redukuojasi. Taip varis pernešamas nuo anodo ant katodo; principas taikomas gryninant ir dengiant metalus.

Vandens elektrolizė

Distiliuotas vanduo laidus labai silpnai, todėl mokykliniame bandyme pridedama tinkamo elektrolito. Rūgštinėje terpėje:

$\ce{2H+ + 2e- -> H2}\quad\text{(katodas)},$

$\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}\quad\text{(anodas)}.$

Suderinus elektronus bendroji lygtis:

$\ce{2H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g)}.$

Tokiomis pačiomis sąlygomis vandenilio tūris yra maždaug dvigubas deguonies tūris.

Kiekybinis ryšys

Jei grandine perėjo krūvis $Q=It$ , elektronų medžiagos kiekis:

$n(e^-)=\frac{Q}{F},$

kur $F$ – Faradėjaus konstanta, jei ji pateikta užduotyje. Toliau taikomas dalinės lygties koeficientų santykis. Pavyzdžiui, vienam moliui Cu nusodinti reikia dviejų molių elektronų.

Išspręstas pavyzdys

Grandine perėjo $0{,}40\ \mathrm{mol}$ elektronų, o katode vyksta $\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}$ . Dviem moliams elektronų tenka vienas molis Cu, todėl:

$n(\ce{Cu})=\frac{0{,}40}{2}=0{,}20\ \mathrm{mol}.$

Jei reikia vario masės, toliau taikoma $m=nM$ .

Dažnos klaidos

Lydalo produktai automatiškai perkeliami vandeniniam tirpalui.
Katode ieškoma „neigiamo jono“, vadovaujantis elektrodo ženklu. Katode redukuojamos elektronus priimančios dalelės.
Nesvarstoma elektrodo medžiaga; tirpus anodas pats gali reaguoti.
Dujų atpažinimas atliekamas nesaugiai. Vandenilio ir deguonies mišinys gali sprogti, chloras yra nuodingas.

Pasitikrink

Parašyk lydyto $\ce{MgCl2}$ katodo dalinę lygtį.
Kodėl iš $\ce{NaCl(aq)}$ katode negaunamas natris?
Kiek molių elektronų reikia $0{,}25$ mol Cu nusodinti iš $\ce{Cu^{2+}}$ ?

Kraunama pamokos praktika…

Oficialūs šaltiniai

SRC-BP-V1269 – Chemijos bendroji programa, IV gimnazijos klasė, elektrolizė.
SRC-EMOKYKLA-CHEM – oficialus Bendrosios programos atvaizdavimas eMokykloje.
SRC-IR-2025 – III–IV gimnazijos klasių įgyvendinimo rekomendacijos; naudota elektrodų procesams ir kiekybiniams ryšiams.

Santrauka

Elektrolizės produktus lemia ne vien jonų sąrašas: būtina atskirti lydalą nuo vandeninio tirpalo, įvertinti vandens konkurenciją ir elektrodo medžiagą. Visada užrašyk atskiras katodo ir anodo pusreaktes.