3.3. Elektrolizni članci

Uvod

Jednostavan primjer punjive baterije je Edisonov članak. Kada se baterija puni, tada radi kao elektrolizni članak, a kada se prazni, radi kao galvanski članak i može pokretati automobile. Edison je još 1899. patentirao punjivu bateriju za pogon električnih automobila. Istraže ovu Edisonovu ideju. Više o ovoj temi pročitajte na mrežnoj stranici 1 (napomena; sadržaj ove mrežne stranice je na eng. jeziku).

Moderno rješenje je litij-ionska baterija bez koje su danas nezamislivi elektronički uređaji. Punjiva litij-ionska baterija često se naziva galvanskim člankom jer u stanju pražnjenja kemijsku energiju pretvara u električnu. Nasuprot tome, u stanju punjenja može ju se nazvati elektrolitskim člankom jer električnu energiju pretvara u kemijsku. Kod baterija oznake anode i katode daju se na temelju elektrodnih reakcija tijekom ciklusa pražnjenja. Na jednostavan način pisano, više o Edisonovoj i litij-ionskoj bateriji može se naći na mrežnoj stranici 2 (napomena; sadržaj ove mrežne stranice je na eng. jeziku).

Elektroliza

Elektroliza taline natrijeva klorida

NaCl(s) [latex]\stackrel{\Delta }{\longrightarrow }[/latex] Na[latex]^+[/latex](l) + Cl[latex]^–[/latex](l)

Na katodi se natrijevi ioni, Na[latex]^+[/latex] reduciraju, a na anodi kloridni ioni, Cl[latex]^–[/latex], oksidiraju.

katoda (–) Na[latex]^+[/latex](l) + e[latex]^–[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] Na(l) /ᐧ 2 redukcija
anoda (+) 2Cl[latex]^–[/latex](l) [latex]\rightarrow [/latex] Cl[latex]_2[/latex](g) + 2e[latex]^–[/latex] oksidacija

Broj elektrona u katodnoj i anodnoj reakciji, kao i u svakoj redoks-reakciji, mora biti jednak, što se postiže množenjem reakcije redukcije s brojem dva u ovom slučaju. Nakon toga jednadžbe zbrojimo:

2Na[latex]^+[/latex](l) + 2e[latex]^–[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] 2Na(l)
2Cl[latex]^–[/latex](l) [latex]\rightarrow [/latex] Cl[latex]_2[/latex](g) + 2e[latex]^–[/latex]
________________________

Jednadžba redoks-reakcije:

2Na[latex]^+[/latex](l) + 2Cl[latex]^–[/latex](l) [latex]\rightarrow [/latex] 2Na(l) + Cl[latex]_2[/latex](g)

Natrijev klorid se djelovanjem električne struje razložio na natrij i klor.

Pozorno pogledajte videozapis elektrolize taline olovova(II) bromida. Pokušajte samostalno tijekom praćenja videozapisa napisati reakcije na elektrodama koje se zbivaju pri elektrolizi taline olovova(II) bromida.

Elektroliza taline olovova(II) bromida

Reakcije na elektrodama pri elektrolizi taline olovova(II) bromida.

katoda (–): Pb[latex]^{2+}[/latex](l) + 2e[latex]^–[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] Pb(l) redukcija
anoda (+): 2Br[latex]^–[/latex](l) [latex]\rightarrow [/latex] Br[latex]_2[/latex](g) + 2e[latex]^–[/latex] oksidacija

__________________________________________________
Pb[latex]^{2+}[/latex](l) + 2Br[latex]^–[/latex](l) [latex]\rightarrow [/latex] Pb(l) + Br[latex]_2[/latex](g)

Olovov(II) bromid se djelovanjem električne struje razložio na olovo i brom.

Elektroliza vode

Pri elektrolizi vode na elektrodama se odvijaju sljedeće reakcije:

katoda (–) 2H[latex]_2[/latex]O(l) + 2e[latex]^–[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] H[latex]_2[/latex](g) + 2OH[latex]^–[/latex] (aq) /ᐧ2
anoda (+) 2H[latex]_2[/latex]O(l) [latex]\rightarrow [/latex] O[latex]_2[/latex](g) + 4H[latex]^+[/latex](aq) + 4e[latex]^–[/latex]
__________________________________________________
6H[latex]_2[/latex]O(l) [latex]\rightarrow [/latex] 2H[latex]_2[/latex](g) + O[latex]_2[/latex](g) + 4H[latex]^+[/latex](aq) + 4OH[latex]^–[/latex](aq)
4H[latex]_2[/latex]O(l)
__________________________________________________
2H[latex]_2[/latex]O(l) [latex]\rightarrow [/latex] 2H[latex]_2[/latex](g) + O[latex]_2[/latex](g)

Elektrolizom vode nastaju vodik i kisik.

Elektroliza vodene otopine natrijeva klorida

Osim elektrolize talina, vrlo se često provode i elektrolize vodenih otopina soli.

NaCl(s) [latex]\stackrel{H_2O}{\longrightarrow }[/latex] Na[latex]^+[/latex](aq) + Cl[latex]^–[/latex](aq)

katoda (–) 2H[latex]_2[/latex]O(l) + 2e[latex]^–[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] H[latex]_{_2}[/latex](g) + 2OH[latex]^–[/latex](aq)
anoda (+) 2Cl[latex]^–[/latex](aq) [latex]\rightarrow [/latex] Cl[latex]_2[/latex](g) + 2e[latex]^–[/latex]
_______________________________________
2Cl[latex]^–[/latex](aq) + 2H[latex]_2[/latex]O(l) [latex]\rightarrow [/latex] H[latex]_2[/latex] (g)+ 2OH[latex]^–[/latex](aq) + Cl[latex]_2[/latex](g)
2Na[latex]^+[/latex](aq) + 2Cl[latex]^–[/latex](aq) + 2H[latex]_2[/latex]O(l) [latex]\rightarrow [/latex] H[latex]_2[/latex](g) + Cl[latex]_2[/latex](g) + 2Na[latex]^+[/latex](aq) + 2OH[latex]^–[/latex](aq)

Produkti elektrolize zasićene vodene otopine natrijeva klorida su vodik na katodi, klor na anodi i natrijeva lužina.

Alkalijske, zemnoalkalijske metale i aluminij ne može se dobiti elektrolizom iz vodenih otopina njihovih soli jer se umjesto njihovih iona na katodi reducira voda i nastaje vodik. Stoga se te metale može dobiti elektrolizom talina odgovarajućih soli. Također, ako se u vodenoj otopini nalaze poliatomni anioni: CO₃^2–, NO₃^–, PO₄^3–, SO₄^2–, na anodi se umjesto njih oksidira voda i oslobađa kisik jer je to energijski povoljnije.

Kvanitativni odnosi pri elektrolizi

Množina tvari koja se izluči elektrolizom može se izračunati pomoću sljedećeg izraza:

[latex]\mathit{Q}=\mathit{I}·\mathit{t}=\mathit{n}·\mathit{z}·\mathit{F}[/latex]

[latex]\mathit{n}\left(tvar\right)=\frac{\mathit{I}\cdot \mathit{t}}{\mathit{z}\cdot \mathit{F}}[/latex]

[latex]\mathit{n}\left(tvar\right)=\frac{\mathit{Q}}{\mathit{z}\cdot \mathit{F}}[/latex]

gdje je:
n – množina tvari, (mol)
Q – električni naboj, (A s ili C)
z – broj elektrona koji sudjeluju u redoks-reakciji
F – Faradayeva konstanta, (F = 96 480 C mol[latex]^{–1}[/latex] ili F = 26,8 A h mol^–1)
I – jakost struje, (A)
t – vrijeme, (s)

Napomena: Jedinica električnoga naboja je 1 C (Coulomb, čit. kulon) ili 1 A s (amper sekunda).
1 C = 1 A s

Električni naboj jednoga mola elektrona naziva se Faradayeva konstanta, F, jednaka je umnošku Avogadrove konstante, N_A,i naboja jednoga elektrona, e[latex]^–[/latex].

[latex]\mathit{F}=\mathit{N}_A·\mathit{e}^–[/latex]

[latex]\mathit{F}=6,022\times 10^{23}\space mol^{–1}\cdot 1,602\times 10^{–19}C[/latex]

[latex]\mathit{F}=96480\space C\space mol^{–1}[/latex]

[latex]\mathit{F}=96480\space C\space mol^{–1}=26,80\space Ah\space mol^{–1}[/latex]

U kakvom su odnosu množina izlučene tvari na elektrodama i nabojni broj iona?

Ako je metalni kation jednovalentan, M[latex]^+[/latex], za redukciju jednog mola kationa potreban je jedan mol elektrona. Za redukciju jednog mola dvovalentnih metalnih kationa, M[latex]^{2+}[/latex], potrebna su 2 mola elektrona, a za redukciju jednog mola trovalentnih metalnih kationa, M[latex]^{3+}[/latex], tri mola elektrona.

Primjerice,
Na[latex]^+[/latex] + e[latex]^–[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] Na z = 1
Ca[latex]^{2+}[/latex] + 2e[latex]^–[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] Ca z = 2
Al[latex]^{3+}[/latex] + 3e[latex]^–[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] Al z = 3

Reakciju oksidacije kloridnih iona u elementarni klor može se pisati na dva načina:
Cl[latex]^–[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] 1/2Cl[latex]_2[/latex] + e[latex]^–[/latex] z = 1
2Cl[latex]^–[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] Cl[latex]_2[/latex] + 2e[latex]^–[/latex] z = 2

Svaki oksidni ion pri oksidaciji u elementarni kisik otpušta dva elektrona. Za nastanak molekule kisika, dva oksidna iona moraju otpustiti ukupno četiri elektrona.
O[latex]^{2–}[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] 1/2O[latex]_2[/latex] + 2e[latex]^–[/latex] z = 2
2O[latex]^{2–}[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] O[latex]_2[/latex] + 4e[latex]^–[/latex] z = 4

Zadatak: Izračunajte koja je količina naboja potrebna za izlučivanje 25,0 g nikla iz otopine niklovih(II) iona i koliko je potrebno vremena da se izluči ta masa nikla, ako je jakost struje 12,0 A?

Napomena: Pri rješavanju zadataka u većini se slučajeva može za vrijednost Faradayeve konstante upotrijebiti vrijednost od 96 500 C mol^–1 ili 26,8 A h mol^–1.

Zadano je:

m(Ni) = 25,0 g
I = 12,0 A

Traži se:

Q = ?
t = ?

Izradak:

Napiše se jednadžba katodne reakcije:

katoda(–): Ni[latex]^{2+}[/latex] (aq) + 2e[latex]^–[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] Ni(s)

Iz napisane se jednadžbe može zaključiti da je broj elektrona koji

sudjeluje u reakciji dva, z = 2.

Napiše se izraz za izračunavanje količine naboja:

[latex]\mathit{Q}=\mathit{I}·\mathit{t}=\mathit{n}·\mathit{z}·\mathit{F}[/latex]

[latex]\mathit{Q}=\frac{\mathit{m}\left(Ni\right)\cdot \mathit{z\cdot }F}{\mathit{M}\left(Ni\right)}[/latex]

[latex]\mathit{Q}=\frac{25,0\cdot 2\cdot 96500\space C\space mol^{–1}}{58,69\space g\space mol^{–1}}[/latex]

[latex]\mathit{Q}=8,22\space \times 10^4\space C\space [/latex]

Vrijeme koje je potrebno da se izluči 25,0 g nikla iz otopine može se izračunati iz izraza:

[latex]\mathit{Q}=\mathit{I}·\mathit{t}[/latex]

[latex]\mathit{t}=\frac{\mathit{Q}}{\mathit{I}}[/latex]

[latex]\mathit{t}=\frac{8,22\times 10^4\space C}{12,0\space A}[/latex]

[latex]\mathit{t}=\frac{8,22\times 10^4\space A\space s}{12,0\space A}[/latex]

[latex]\mathit{t}= 6,85\times 10^4 \space s[/latex]

[latex]\mathit{t}=114 \space min[/latex]

[latex]\mathit{t}=1,90 \space h[/latex]

Napomena: 1 C = A s

Odgovor: U vremenu od 1,90 h izluči se 25,0 g nikla uz količinu naboja 8,22 × 10⁴ C.

Problemski zadatak

Proučite shematski prikaz Galvanski je članak izvor električne struje za elektrolizni članak i napišite odgovarajuće (moguće) anodne i katodne reakcije u navedenim polučlancima, kojim ćete argumentirati tvrdnje navedene pod a) i b) dijelom zadatka:

a) u galvanskom se članku kemijska energija pretvara u električnu;

b) u elektroliznom se članku električna energija pretvara u kemijsku.

c) Imaju li galvanski članci primjenu i u vašem svakodnevnom životu? Ako da, navedite jedan primjer i saznajte nešto više o principu njegova rad na stručnim mrežnim stranicama.