5.4 Sljedeća jedinica Elektrokemijski izvori električne energije
5.3

Elektrolizni članci

Moći ću:
  • opisati elektrolizni članak
  • razlikovati galvanski od elektroliznog članka
  • opisati postupak elektrolize
  • razlikovati elektrolize talina i vodenih otopina nekih soli
  • primijeniti Faradayev zakon za izračunavanje promjene množine tvari na elektrodama u jednome članku ili serijski spojenim člancima

Uvod

U talinama i vodenim otopinama elektrolita nalaze se slobodni, pokretljivi ioni.

Oni se pod utjecajem električnog polja gibaju prema suprotno nabijenoj elektrodi.

Na elektrodama u elektroliznom članku zbivaju se redoks reakcije.

U galvanskom članku istosmjerna struja nastaje.

U elektroliznom članku istosmjerna struja se troši.

Elektrolizni članci

Uvod

U talinama i vodenim otopinama elektrolita nalaze se slobodni, pokretljivi ioni, koji se pod utjecajem električnog polja gibaju prema suprotno nabijenoj elektrodi. Na elektrodama u elektroliznom članku zbivaju se redoks-reakcije. U galvanskom članku istosmjerna struja nastaje, dok se u elektroliznom članku ona troši.

Elektrolizni članci

Elektroliza srebrova nitrata
Current Time 0:00
/
Duration Time 0:00
Loaded: 0%
0:00
Progress: 0%
Stream TypeLIVE
Remaining Time -0:00
 
1

Rastavljanje tvari djelovanjem električne struje zove se elektroliza.

Elektroliza je redoks reakcija koja se ne zbiva spontano.

Zbiva se isključivo djelovanjem električne struje.

Elektroliza se provodi u elektroliznom članku u  kojem se električna energija pretvara u kemijsku.

Elektrolizni članak se sastoji od posude s elektrolitom, u koji su uronjene dvije elektrode spojene na izvor istosmjerne struje.

Anoda se spaja na pozitivni pol izvora električne struje

Katoda se spaja na negativni pol izvora električne struje.

Elektrode mogu biti od istovrsnoga (grafitne olovke) ili različitoga materijala, ovisno o elektrolitu.

Elektrolit može biti talina ili vodena otopina neke soli, kiseline ili lužine.

Nakon što se elektrode urone u elektrolit i spoje na izvor istosmjerne struje, dolazi do procesa elektolize.

Na anodi dolazi do a na katodi do

 

Rastavljanje tvari djelovanjem električne struje zove se elektroliza. Elektroliza je redoks-reakcija koja se ne zbiva spontano, već isključivo djelovanjem električne struje. Provodi se u elektroliznom članku u kojem se električna energija pretvara u kemijsku.

Elektrolizni članak se sastoji od posude s elektrolitom, u koji su uronjene dvije elektrode spojene na izvor istosmjerne struje.

Anoda se spaja na pozitivni pol, a katoda na negativni pol izvora električne struje.

Elektrode mogu biti od istovrsnoga (grafitne olovke) ili različitoga materijala, ovisno o elektrolitu.

Elektrolit može biti talina ili vodena otopina neke soli, kiseline ili lužine.

Nakon što se elektrode urone u elektrolit i spoje na izvor istosmjerne struje dolazi do procesa elektolize.

Na anodi dolazi do , a na katodi do .

Animacija elektrolize taline olova(II) bromida
Current Time 0:00
/
Duration Time 0:00
Loaded: 0%
0:00
Progress: 0%
Stream TypeLIVE
Remaining Time -0:00
 
1

Ponovimo još jednom reakcije na elektrodama pri elektrolizi taline olovova (II) bromida (PbBr2).
katoda (–): \( \ce{Pb^{2+}(l) + 2e- -> Pb(l)} \) \ce{Pb^{2+}(l) + 2e- -> Pb(l)} redukcija

anoda (+): \( \ce{2Br-(l) -> Br2(g) + 2e-} \) \ce{2Br-(l) -> Br2(g) + 2e-} oksidacija

\( \ce{Pb^{2+}(l) + 2Br-(l) -> Pb(l) + Br2(g)} \) \ce{Pb^{2+}(l) + 2Br-(l) -> Pb(l) + Br2(g)}

Olovov (II) bromid (PbBr2) se djelovanjem električne struje razložio na olovo (Pb) i brom (Br2).

Elekroliza taline natrijeva klorida

Natrijev klorid, NaCl (s) je ionski kristal.

Zagrijavanjem u metalnom lončiću iznad 800 °C, natrijev klorid (NaCl) se rastali.

Na taj način nastaje talina, elektrolit u kojem se nalaze natrijevi (Na+) i kloridni (Cl–) ioni.

Ioni se slobodno gibaju u svim smjerovima.

U talinu se urone grafitne elektrode.

Grafitne elektrode se spoje električnim vodičima na bateriju.

 

Ponovimo još jednom reakcije na elektrodama pri elektrolizi taline olovova(II) bromida.

katoda (–): \( \ce{Pb^{2+}(l) + 2e- -> Pb(l)} \) \ce{Pb^{2+}(l) + 2e- -> Pb(l)}

anoda (+): \( \ce{2Br-(l) -> Br2(g) + 2e-} \) \ce{2Br-(l) -> Br2(g) + 2e-}

\( \ce{Pb^{2+}(l) + 2Br-(l) -> Pb(l) + Br2(g)} \) \ce{Pb^{2+}(l) + 2Br-(l) -> Pb(l) + Br2(g)}

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

 

Elekroliza taline natrijeva klorida

Natrijev klorid, NaCl (s),  je ionski kristal koji se zagrijavanjem u metalnom lončiću iznad 800 °C rastali. Na taj način nastaje talina, elektrolit u kojem se nalaze natrijevi i kloridni ioni, koji se slobodno gibaju u svim smjerovima.

U talinu se urone grafitne elektrode i spoje se električnim vodičima na bateriju.

Slika prikazuje elektrolizu natrijevog klorida. Pozitivno nabijeni natrijevi ioni grupiraju se oko negativno nabijene katode, a kloridni ioni putuju prema anodi. Zbog pozitivnog naboja anode kloridni ioni predaju višak elektrona i postaju neutralno nabijene molekule klora koje zatim mogu napustiti otopinu.

Nakon zatvaranja strujnoga kruga dolazi do usmjerenoga gibanja iona prema suprotno nabijenim elektrodama.

Natrijevi ioni, Na+(kationi) usmjeravaju se prema negativnoj (–) elektrodi, katodi.

Kloridni ioni, Cl–(anioni) usmjeravaju se prema pozitivnoj (+) elektrodi, anodi.

Na katodi se natrijevi ioni, \( \ce{Na+}\) \ce{Na+} , reduciraju.

Na anodi se kloridni ioni, \( \ce{Cl-}\) \ce{Cl-} , oksidiraju.

 

Elektrolizu taline natrijeva klorida (\( \ce{NaCl}\) \ce{NaCl} ) možemo prikazati reakcijom:


\( \ce{NaCl(s) ->[\Delta] Na+(l) + Cl-(l)} \) \ce{NaCl(s) ->[\Delta] Na+(l) + Cl-(l)}

katoda (–): \( \ce{Na+(l) + e- -> Na(l)} \quad / \cdot 2 \) \ce{Na+(l) + e- -> Na(l)} \quad / \cdot 2

anoda (+): \( \ce{2Cl-(l) -> Cl2(g) + 2e-} \) \ce{2Cl-(l) -> Cl2(g) + 2e-}

katoda (–): \( \ce{2Na+(l) + 2e- -> 2Na(l)} \) \ce{2Na+(l) + 2e- -> 2Na(l)}

anoda (+): \( \ce{2Cl-(l) -> Cl2(g) + 2e-} \) \ce{2Cl-(l) -> Cl2(g) + 2e-}

\( \ce{2Na+(l) + 2Cl-(l) -> 2Na(l) + Cl2(g)} \) \ce{2Na+(l) + 2Cl-(l) -> 2Na(l) + Cl2(g)}

Natrijev klorid (\( \ce{NaCl}\) \ce{NaCl} ) se djelovanjem električne struje razložio na natrij (\( \ce{Na}\) \ce{Na} ) i klor (\( \ce{Cl}\) \ce{Cl} ).

Elektroliza vode

Elektrolizu vode najbolje je izvesti u Hofmannovu aparatu s platinskim elektrodama jer se može pratiti kvalitativni i kvantitativni tijek reakcije.

Voda je slabi elektrolit.

U vodu je potrebno dodati malo razrijeđene sumporne kiseline (H2SO4) da bi joj se povećala vodljivost.

Nakon zatvaranja strujnoga kruga dolazi do usmjerenoga gibanja iona prema suprotno nabijenim elektrodama. Natrijevi ioni, Na+ (kationi) usmjeravaju se prema negativnoj elektrodi, katodi, a kloridni ioni, Cl– (anioni) prema pozitivnoj elektrodi, anodi. Na katodi se Na+ ioni reduciraju, a na anodi se Cl– ioni oksidiraju.

Elektrolizu taline natrijeva klorida možemo prikazati reakcijom:


\( \ce{NaCl(s) ->[\Delta] Na+(l) + Cl-(l)} \) \ce{NaCl(s) ->[\Delta] Na+(l) + Cl-(l)}

katoda (–): \( \ce{Na+(l) + e- -> Na(l)} \quad / \cdot 2 \) \ce{Na+(l) + e- -> Na(l)} \quad / \cdot 2

anoda (+): \( \ce{2Cl-(l) -> Cl2(g) + 2e-} \) \ce{2Cl-(l) -> Cl2(g) + 2e-}

katoda (–): \( \ce{2Na+(l) + 2e- -> 2Na(l)} \) \ce{2Na+(l) + 2e- -> 2Na(l)}

anoda (+): \( \ce{2Cl-(l) -> Cl2(g) + 2e-} \) \ce{2Cl-(l) -> Cl2(g) + 2e-}

\( \ce{2Na+(l) + 2Cl-(l) -> 2Na(l) + Cl2(g)} \) \ce{2Na+(l) + 2Cl-(l) -> 2Na(l) + Cl2(g)}

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

 

Elektroliza vode

Elektrolizu vode najbolje je izvesti u Hofmannovu aparatu s platinskim elektrodama jer se može pratiti kvalitativni i kvantitativni tijek reakcije. Voda je slabi elektrolit, pa je potrebno u nju dodati malo razrijeđene sumporne kiseline da bi joj se povećala vodljivost.

Elektroliza vode - animacija
Current Time 0:00
/
Duration Time 0:00
Loaded: 0%
0:00
Progress: 0%
Stream TypeLIVE
Remaining Time -0:00
 
1

Pri elektrolizi vode na elektrodama se odvijaju sljedeće reakcije:


katoda (–): \( \ce{2H2O(l) + 2e- -> H2(g) + 2OH-(aq)}\quad / \cdot 2 \) \ce{2H2O(l) + 2e- -> H2(g) + 2OH-(aq)}\quad / \cdot 2

anoda (+): \( \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-} \) \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-}

katoda (–): \( \ce{4H2O(l) + 4e- -> 2H2(g) + 4OH-(aq)} \) \ce{4H2O(l) + 4e- -> 2H2(g) + 4OH-(aq)}

anoda (+): \( \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-} \) \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-}

\( \ce{6H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g) + } \) \ce{6H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g) + } \(\ce{4OH-(aq) + 4H+(aq)} \)\ce{4OH-(aq) + 4H+(aq)}
{
\( 4\ce{H2O} \) 4\ce{H2O}

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

 

Elektrolizom vode nastaju vodik (H2) i kisik (O2).

Pri elektrolizi vode na elektrodama se odvijaju sljedeće reakcije:


katoda(–): \( \ce{2H2O(l) + 2e- -> H2(g) + 2OH-(aq)}\quad / \cdot 2 \) \ce{2H2O(l) + 2e- -> H2(g) + 2OH-(aq)}\quad / \cdot 2

anoda (+): \( \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-} \) \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-}

katoda(–): \( \ce{4H2O(l) + 4e- -> 2H2(g) + 4OH-(aq)} \) \ce{4H2O(l) + 4e- -> 2H2(g) + 4OH-(aq)}

anoda (+): \( \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-} \) \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-}

 \( \ce{6H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g) + } \) \ce{6H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g) + } \(\ce{4OH-(aq) + 4H+(aq)} \)\ce{4OH-(aq) + 4H+(aq)}
{
\( 4\ce{H2O} \) 4\ce{H2O}

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

Elektrolizom vode nastaju vodik i kisik.

 

Elektroliza vodene otopine natrijeva klorida

U vodenim se otopinama, osim molekula vode, nalaze i ioni disociranih soli, kiselina ili lužina.

Tada se na elektrodama reduciraju ili oksidiraju oni ioni ili molekule za čiju je reakciju potrebna manja (<) energija.

Pozorno pogledajte videozapis koji prikazuje elektrolizu vodene otopine natrijeva klorida (NaCl).

 

Elektroliza vodene otopine natrijeva klorida

U vodenim se otopinama, osim molekula vode, nalaze i ioni disociranih soli, kiselina ili lužina. Tada se na elektrodama reduciraju ili oksidiraju oni ioni ili molekule za čiju je reakciju potrebna manja energija.
Pozorno pogledajte videozapis koji prikazuje elektrolizu vodene otopine natrijeva klorida.

Elektroliza vodene otopine natrijeva klorida
Current Time 0:00
/
Duration Time 0:00
Loaded: 0%
0:00
Progress: 0%
Stream TypeLIVE
Remaining Time -0:00
 
1

Standardni redukcijski potencijal natrija
(Eº (Na+/Na) = – 2,71 V) negativniji (–) u odnosu na standardni redukcijski potencijal vode (Eº (H2O/H2) = – 0,83 V).

Zbog toga na katodi dolazi do redukcije molekula vode.

Stoga se elektroliza vodene otopine natrijeva klorida (NaCl) prikazuje jednadžbama kemijskih reakcija:


\( \ce{NaCl(s) ->[H2O] Na+(aq) + Cl-(aq)} \) \ce{NaCl(s) ->[H2O] Na+(aq) + Cl-(aq)}

katoda (–): \( \ce{2H2O(l) + 2e- -> H2(g) + 2OH-(aq)} \) \ce{2H2O(l) + 2e- -> H2(g) + 2OH-(aq)}

anoda (+): \( \ce{2Cl-(aq) -> Cl2(g) + 2e-} \) \ce{2Cl-(aq) -> Cl2(g) + 2e-}

\( \ce{2Cl-(aq) + 2H2O(l) -> H2(g) + 2OH-(aq) + Cl2(g)} \) \ce{2Cl-(aq) + 2H2O(l) -> H2(g) + 2OH-(aq) + Cl2(g)}
\( \ce{2Na+(aq) + 2Cl-(aq) + 2H2O(l) ->}\) \ce{2Na+(aq) + 2Cl-(aq) + 2H2O(l) ->}

\(\ce{->H2(g) + Cl2(g) + 2Na+(aq) + 2OH-(aq)} \)\ce{->H2(g) + Cl2(g) + 2Na+(aq) + 2OH-(aq)}

Produkti elektrolize zasićene vodene otopine natrijeva klorida (NaCl) su:

  1. vodik (H2) na katodi,
  2. klor (Cl) na anodi, 
  3. natrijeva lužina (NaOH).

Budući da je standardni redukcijski potencijal natrija
(Eº (Na+/Na) = – 2,71 V) negativniji u odnosu na standardni redukcijski potencijal vode (Eº (H2O/H2) = – 0,83 V), na katodi dolazi do redukcije molekula vode. Stoga se elektroliza vodene otopine natrijeva klorida prikazuje jednadžbama kemijskih reakcija:


\( \ce{NaCl(s) ->[H2O] Na+(aq) + Cl-(aq)} \) \ce{NaCl(s) ->[H2O] Na+(aq) + Cl-(aq)}

katoda (–): \( \ce{2H2O(l) + 2e- -> H2(g) + 2OH-(aq)} \) \ce{2H2O(l) + 2e- -> H2(g) + 2OH-(aq)}

anoda (+): \( \ce{2Cl-(aq) -> Cl2(g) + 2e-} \) \ce{2Cl-(aq) -> Cl2(g) + 2e-}

\( \ce{2Cl-(aq) + 2H2O(l) -> H2(g) + 2OH-(aq) + Cl2(g)} \) \ce{2Cl-(aq) + 2H2O(l) -> H2(g) + 2OH-(aq) + Cl2(g)}
\( \ce{2Na+(aq) + 2Cl-(aq) + 2H2O(l) ->}\) \ce{2Na+(aq) + 2Cl-(aq) + 2H2O(l) ->}

\(\ce{->H2(g) + Cl2(g) + 2Na+(aq) + 2OH-(aq)} \)\ce{->H2(g) + Cl2(g) + 2Na+(aq) + 2OH-(aq)}

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

 

Elektroliza vodenih otopina soli

Elektrolizom vodenih otopina soli u kojima se nalaze kationi alkalijskih i zemnoalkalijskih metala te aluminijevi ili amonijevi kationi, na katodi će se reducirati molekule vode.

Ako se u vodenim otopinama soli nalaze anioni u kojima je oksidacijski broj središnjeg atoma maksimalan (npr. oksidacijski broj atoma sumpora (S) u sulfatnom ionu je VI), na anodi će se oksidirati molekule vode.

Tablica 1. Kationi i anioni
kationi anioni
\( \ce{Li+} \) \ce{Li+} , \( \ce{Na+} \) \ce{Na+} , \( \ce{K+} \) \ce{K+} , \( \ce{Rb+} \) \ce{Rb+} , \( \ce{Cs+} \) \ce{Cs+}

\( \ce{Mg^{2+}} \) \ce{Mg^{2+}} , \( \ce{Ca^{2+}} \) \ce{Ca^{2+}} , \( \ce{Sr^{2+}} \) \ce{Sr^{2+}} , \( \ce{Ba^{2+}} \) \ce{Ba^{2+}} ,

\( \ce{Al^{3+}} \) \ce{Al^{3+}} , \( \ce{NH4^{+}} \) \ce{NH4^{+}}

\( \ce{NO3-} \) \ce{NO3-}

\( \ce{SO4^{2-}} \) \ce{SO4^{2-}} , \( \ce{CO3^{2-}} \) \ce{CO3^{2-}} , \( \ce{PO4^{3-}} \) \ce{PO4^{3-}}

 

katoda(–):

\( \ce{2H2O(l) + 2e- -> H2(g) + 2OH-(aq)} \) \ce{2H2O(l) + 2e- -> H2(g) + 2OH-(aq)} 
anoda (+):

\( \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-} \) \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-}
\( \ce{OH-} \) \ce{OH-}
anoda (+):

\( \ce{4OH-(aq) -> O2(g) + 2H2O(l) + 4e-} \) \ce{4OH-(aq) -> O2(g) + 2H2O(l) + 4e-}

Elektroliza vodenih otopina soli

Elektrolizom vodenih otopina soli u kojima se nalaze kationi alkalijskih i zemnoalkalijskih metala te aluminijevi ili amonijevi kationi, na katodi će se reducirati molekule vode.

Ako se u vodenim otopinama soli nalaze anioni u kojima je oksidacijski broj središnjeg atoma maksimalan (npr. oksidacijski broj atoma sumpora u sulfatnom ionu je VI), na anodi će se oksidirati molekule vode.

Tablica 1. Kationi i anioni
kationi anioni
\( \ce{Li+} \) \ce{Li+} , \( \ce{Na+} \) \ce{Na+} , \( \ce{K+} \) \ce{K+} , \( \ce{Rb+} \) \ce{Rb+} , \( \ce{Cs+} \) \ce{Cs+}

\( \ce{Mg^{2+}} \) \ce{Mg^{2+}} , \( \ce{Ca^{2+}} \) \ce{Ca^{2+}} , \( \ce{Sr^{2+}} \) \ce{Sr^{2+}} , \( \ce{Ba^{2+}} \) \ce{Ba^{2+}} ,

\( \ce{Al^{3+}} \) \ce{Al^{3+}} , \( \ce{NH4^{+}} \) \ce{NH4^{+}}

\( \ce{NO3-} \) \ce{NO3-}

\( \ce{SO4^{2-}} \) \ce{SO4^{2-}} , \( \ce{CO3^{2-}} \) \ce{CO3^{2-}} , \( \ce{PO4^{3-}} \) \ce{PO4^{3-}}

 

katoda(–):

\( \ce{2H2O(l) + 2e- -> H2(g) + 2OH-(aq)} \) \ce{2H2O(l) + 2e- -> H2(g) + 2OH-(aq)} 
anoda (+):

\( \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-} \) \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-}
\( \ce{OH-} \) \ce{OH-}
anoda (+):

\( \ce{4OH-(aq) -> O2(g) + 2H2O(l) + 4e-} \) \ce{4OH-(aq) -> O2(g) + 2H2O(l) + 4e-}

Pokus

Krumpir kao elektrolizni članak

Više

Elektroliza vodenih otopina nekih soli

Odaberite odgovarajuće katodne i anodne reakcije koje se zbivaju pri elektrolizi vodenih otopina navedenih soli.

a) Li2SO4(aq) 2Li+(aq) + SO42—(aq)

K(—):
A(+):

b) CuCl2(aq) Cu2+(aq) + 2Cl—(aq)

K(—):
A(+):

c) MgBr2(aq) Mg2+(aq) + 2Br—(aq)

K(—):
A(+):

d) Ni(NO3)2(aq) Ni2+(aq) + 2NO3—(aq)

K(—):
A(+):

Odaberite točan odgovor.

U elektroliznom članku:

Odaberite točan odgovor.

Elektrolizom vodene otopine kalijeva sulfata (K2SO4) na anodi će nastati:

Odaberite točan odgovor.

Elektrolizom vode:

Odaberite točan odgovor.

Za elektrolizu vodene otopine bakrova (II) klorida (CuCl2) s grafitnim elektrodama točna je tvrdnja

Odaberite točan odgovor.

Elektrolizom taline kalcijeva klorida (\( \ce{CaCl2}\) \ce{CaCl2} ):

Odaberite točan odgovor.

Natrijeva lužina (NaOH) se dobiva:

1/6

Odaberite točan odgovor.

U elektroliznom članku:

Odaberite točan odgovor.

Elektrolizom vodene otopine kalijeva sulfata na anodi će nastati:

Odaberite točan odgovor.

Elektrolizom vode:

Odaberite točan odgovor.

Za elektrolizu vodene otopine bakrova(II) klorida s grafitnim elektrodama točna je tvrdnja:

Odaberite točan odgovor.

Elektrolizom taline kalcijeva klorida:

Odaberite točan odgovor.

Natrijeva lužina se dobiva:

1/6

Kvantitativni odnosi pri elektrolizi

Kvantitativne odnose pri elektrolizi ispitivao je Michael Faraday.

On je dokazao da postoji izravna kvantitativna veza između mase izlučene tvari na elektrodi i ukupnog naboja koji prođe kroz elektrolizni članak.

Kvantitativni odnosi pri elektrolizi

Kvantitativne odnose pri elektrolizi ispitivao je Michael Faraday i dokazao da postoji izravna kvantitativna veza između mase izlučene tvari na elektrodi i ukupnog naboja koji prođe kroz elektrolizni članak.

Slika prikazuje fizičara koji sjedi za stolom, nalazi se u laboratoriju. Ispred njega se, u staklenom okviru nalazi eksperiment na kojem radi, to je postupak elektrolize.
Faradayjev eksperiment elektrolize, 1833
Za znatiželjne

Michael Faraday

Engleski kemičar i fizičar Michael Faraday, 1791-1867.

Faraday se smatra najvećim od svih eksperimentalnih fizičara.

Godine 1825. otkrio je spoj nazvan benzen (C6H6).

Poznat je po studijama elektrolize i elektromagnetskih pojava.

Potonji su stvorili pozadinu za jedinstvenu elektromagnetsku teoriju koju je matematički opisao škotski fizičar James Maxwell.

Osmislio je prvi električni motor i druge električne uređaje kao što su transformatori i dinamo.

Za znatiželjne

Michael Faraday

Engleski kemičar i fizičar Michael Faraday, (1791.– 1867.) smatra se najvećim od svih eksperimentalnih fizičara.

Godine 1825. otkrio je spoj nazvan benzen, ali je poznat po studijama elektrolize i elektromagnetskih pojava. Potonji su stvorili pozadinu za jedinstvenu elektromagnetsku teoriju koju je matematički opisao škotski fizičar James Maxwell.

Osmislio je prvi električni motor i druge električne uređaje kao što su transformatori i dinamo.

Faradayevi zakoni elektrolize

I. Faradayjev zakon:

Masa tvari (m) izlučena na elektrodi proporcionalna je množini (n) elektriciteta koja je prošla kroz elektrolit.

 

II. Faradayjev zakon:

Množine tvari (n) izlučene na elektrodama (serijski spojenih elektrolizera) istom

množinom (n) elektriciteta odnose se obrnuto proporcionalno broju izmijenjenih
elektrona u tim reakcijama.

Množina tvari (n) koje nastanu elektrolizom ovisi o:

  1. električnom naboju, Q, koji proteče kroz elektrolizer,
  2. vremenu trajanja elektrolize (t)
  3. broju elektrona koji sudjeluju u redoks-reakciji, ( z)

\( n( \textrm{tvar}) = \dfrac{Q}{zF} \) n( \textrm{tvar}) = \dfrac{Q}{zF}

gdje je:

\( n \) n – množina tvari
\( Q \) Q – električni naboj
\( Q \) Q – broj elektrona koji sudjeluju u redoks-reakciji
\( F \) F - Faradayeva konstanta

Množina (n) električnog naboja jednaka (=)  je umnošku (∙) jakosti (I) električne struje i vremenu trajanja elektrolize, t

\( Q = It \) Q = It

\( n( \textrm{tvar}) = \dfrac{It}{zF} \) n( \textrm{tvar}) = \dfrac{It}{zF}

Električni naboj koji prenosi 1 mol elektrona naziva se Faradayeva [Faradejeva] konstanta, F

Njezina vrijednost jednaka (=)  je umnošku (∙) broja elektrona u jednom molu elektrona, \( N_{\textrm{A}} \) N_{\textrm{A}} , i naboju jednoga elektrona.
Faradayeva konstanta \( F = N_{\textrm{A}}e- \) F = N_{\textrm{A}}e-
\( F = \pu{96500 C mol-1} = \pu{26,8 A h mol-1}\) F = \pu{96500 C mol-1} = \pu{26,8 A h mol-1}

Faradayevi zakoni elektrolize

I. Faradayjev zakon: Masa tvari izlučena na elektrodi proporcionalna je množini elektriciteta koja je prošla kroz elektrolit.

II. Faradayjev zakon: Množine tvari izlučene na elektrodama (serijski spojenih elektrolizera) istom množinom elektriciteta odnose se obrnuto proporcionalno broju izmijenjenih elektrona u tim reakcijama.

Množina tvari koje nastanu elektrolizom ovisi o električnom naboju, \( Q \) Q , koji proteče kroz elektrolizer, o vremenu trajanja elektrolize i o broju elektrona koji sudjeluju u redoks-reakciji, \( z \) z .

\( n( \textrm{tvar}) = \dfrac{Q}{zF} \) n( \textrm{tvar}) = \dfrac{Q}{zF}

gdje je:

\( n \) n – množina tvari
\( Q \) Q – električni naboj
\( z \) z – broj elektrona koji sudjeluju u redoks-reakciji
\( F \) F - Faradayeva konstanta

Množina električnog naboja jednaka je umnošku jakosti električne struje, \( I \) I , i vremenu trajanja elektrolize, \( t \) t .

\( Q = It \) Q = It

\( n( \textrm{tvar}) = \dfrac{It}{zF} \) n( \textrm{tvar}) = \dfrac{It}{zF}

Električni naboj koji prenosi 1 mol elektrona naziva se Faradayeva [Faradejeva] konstanta, \( F \) F . Njezina vrijednost jednaka je umnošku broja elektrona u jednom molu elektrona, \( N_{\textrm{A}} \) N_{\textrm{A}} , i naboju jednoga elektrona.

\( F = N_{\textrm{A}}e- \) F = N_{\textrm{A}}e-

\( F = \pu{96500 C mol-1} = \pu{26,8 A h mol-1}\) F = \pu{96500 C mol-1} = \pu{26,8 A h mol-1}

Odaberite točan odgovor.

Kolika je masa (m) nikla (Ni) izlučena na elektrodi iz vodene otopine niklova (II) klorida (NiCl2)?

Kroz elektrolizni članak 35 minuta (t) teče struja jakosti 1,50 ampera (I).

t = 35 min

I = 1,50 A

m (Ni) = ?

Dopunite rečenicu.

Vodena otopina bakrova (II) nitrata (Cu(NO3)2) podvrgnuta je elektrolizi.

Kroz elektrolizni članak prolazila je struja jakosti (I) 7,50 A tijekom 2,50 sati (t).

Izračunajte mase (m) bakra (Cu) i kisika (O2) koje će nastati tijekom elektrolize.

I = 7,50 A

t = 5,50 h

m (Cu) = ?

m (O2) = ?

Rješenje:

Masa (m) bakra (Cu) je

g.

Masa (m) kisika (O2) je

g.

Dopunite rečenicu.

Izračunajte količinu naboja (Q) koja je potrebna za:

a) redukciju 0,250 mola \( \ce{Ag+} \) \ce{Ag+} u elementarno srebro,
Q =

Ah

b) redukciju 0,500 mola \( \ce{Fe^{3+}} \) \ce{Fe^{3+}} u \( \ce{Fe^{2+}} \) \ce{Fe^{2+}} ione,
Q =

Ah

c) oksidaciju 0,250 mola \( \ce{O^{2-}} \) \ce{O^{2-}} u elementarni kisik,
Q =

Ah

d) oksidaciju 0,600 mola \( \ce{Cl-} \) \ce{Cl-} u elementarni klor,
Q =

Ah

e) redukciju 0,750 mola \( \ce{O2} \) \ce{O2} u \( \ce{O^{2-}} \) \ce{O^{2-}} ,
Q =

Ah

f) redukciju 0,250 mola \( \ce{Al^{3+}} \) \ce{Al^{3+}} u elementarni aluminij,
Q =

Ah

Dopunite rečenicu.

250 mL otopine \( \ce{NiSO4(aq)}\) \ce{NiSO4(aq)} niklova sulfata (NiSO4(aq)) koncentracije (c) 1,00 molL−1 1,00 mol/L podvrgnuto je elektrolizi 15 minuta (t).

Jakost struje (I) iznosi 5,00 A.

Volumen (V) otopine nepromijenjen.

Izračunajte koncentraciju (c)   Ni2+(aq) iona u otopini nakon završene elektrolize.

V (NiSO4) = 205 mL

t = 15 min

I = 5,00 A

c (Ni2+) = ?

\( c(\ce{Ni^{2+}}) = \) c(\ce{Ni^{2+}}) = c(Ni2+)

mol/L

1/4

Odaberite točan odgovor.

Kolika je masa nikla izlučena na elektrodi iz vodene otopine niklova(II) klorida ako kroz elektrolizni članak 35 minuta teče struja jakosti 1,50 ampera.

Dopunite rečenicu.

Vodena otopina bakrova(II) nitrata podvrgnuta je elektrolizi. Izračunajte mase bakra i kisika koje će nastati tijekom elektrolize ako je kroz elektrolizni članak prolazila struja jakosti 7,50 A tijekom 2,50 sati.

Rješenje:

Masa bakra je

g, a masa kisika
g.

Dopunite rečenicu.

Izračunajte količinu naboja koja je potrebna za:

a) redukciju 0,250 mola \( \ce{Ag+} \) \ce{Ag+} u elementarno srebro,
Q =

Ah

b) redukciju 0,500 mola \( \ce{Fe^{3+}} \) \ce{Fe^{3+}} u \( \ce{Fe^{2+}} \) \ce{Fe^{2+}} ione,
Q =

Ah

c) oksidaciju 0,250 mola \( \ce{O^{2-}} \) \ce{O^{2-}} u elementarni kisik,
Q =

Ah

d) oksidaciju 0,600 mola \( \ce{Cl-} \) \ce{Cl-} u elementarni klor,
Q =

Ah

e) redukciju 0,750 mola \( \ce{O2} \) \ce{O2} u \( \ce{O^{2-}} \) \ce{O^{2-}} ,
Q =

Ah

f) redukciju 0,250 mola \( \ce{Al^{3+}} \) \ce{Al^{3+}} u elementarni aluminij,
Q =

Ah

Dopunite rečenicu.

250 mL otopine \( \ce{NiSO4(aq)} \) \ce{NiSO4(aq)} koncentracije \( \pu{1,00 mol L-1} \) \pu{1,00 mol L-1} podvrgnuto je elektrolizi 15 minuta uz struju jakosti 5,00 A, uz pretpostavku da je volumen otopine nepromijenjen, izračunajte koncentraciju \( \ce{Ni^{2+}(aq)} \) \ce{Ni^{2+}(aq)} iona u otopini nakon završene elektrolize.

Rješenje:

\( c(\ce{Ni^{2+}}) = \) c(\ce{Ni^{2+}}) =

mol/L

1/4

Serijski su povezana tri elektrolizna članka.

Množinska koncentracija (c) svih elektrolita je 1,00 mol/L.

Koja će se masa (m) srebra (Ag), nikla (Ni) i kroma (Cr) izlučiti na katodi uz jednaku (=) količinu naboja, Q = 96 500 C?

 

Rješeni primjer 1.

 

Serijski su povezana tri elektrolizna članka. Množinska koncentracija svih elektrolita je \( \pu{1,00 mol L-1} \) \pu{1,00 mol L-1} .

Koja će se masa srebra, nikla i kroma izlučiti na katodi uz jednaku količinu naboja, \( Q = \pu{96500 C} \) Q = \pu{96500 C} ?

Na kraju…

Riješite kviz!

Odaberite točan odgovor.

Koliki je naboj (Q) potreban za redukciju 2,5 mola (n) kalcijevih iona (\( \ce{Ca^{2+}}\) \ce{Ca^{2+}} )?

Odaberite točan odgovor.

Koja tvrdnja nije pravilna za elektrolizu vodene otopine bakrova (II) klorida (CuCl2)?

Odaberite točan odgovor.

Koliki je naboj (Q) potreban za redukciju 1,5 mola (n) kromovih (Cr3+) iona?

Dopunite rečenicu.

Izračunajte volumen (V) klora (Cl) koji nastaje potpunom elektrolizom 1,50 dm3vodene otopine natrijeva klorida (NaCl).

Množinska koncentracija (c) natriijeva klorida (\( \ce{NaCl}\) \ce{NaCl} ) iznosi 2,50 mol/dm-3.

Klor (\( \ce{Cl}\) \ce{Cl} ) se razvija pri tlaku (p) od 1,00 bar i temperaturi od  20 °C (t).

c (\( \ce{NaCl}\) \ce{NaCl} ) = 2,50 mol/dm-3

p = 1,00 bar

t = 20 °C

V = ?

Rješenje:              

\( V(\ce{Cl2}) = \) V(\ce{Cl2}) =  

dm3

Dopunite rečenicu.

Pri elektrolizi vodene otopine niklova (II) sulfata (NiSO4) uz platinske elektrode teče struja jakosti (I) 0,750 A.

Izračunaj masu (m) nikla (Ni) koja se izluči na katodi tijekom 6 sati (t).

Rješenje:

I = 0,750 A

t = 6 h

m (Ni) = ?

\( m(\ce{Ni}) = \) m(\ce{Ni}) =

g

1/5

Odaberite točan odgovor.

Koliki je naboj potreban za redukciju 2,5 mola kalcijevih iona?

Odaberite točan odgovor.

Koja tvrdnja nije pravilna za elektrolizu vodene otopine bakrova(II) klorida?

Odaberite točan odgovor.

Koliki je naboj potreban za redukciju 1,5 mola \( \ce{Cr^{3+}} \) \ce{Cr^{3+}} iona?

Dopunite rečenicu.

Izračunajte volumen klora koji može nastati elektrolizom \( \pu{1,50 dm3} \) \pu{1,50 dm3} vodene otopine natrijeva klorida množinske koncentracije \( \pu{2,50 mol dm-3} \) \pu{2,50 mol dm-3} . Klor se razvija pri tlaku od 1,00 bar
i temperaturi od 20 °C.

Rješenje:

\( V(\ce{Cl2}) = \) V(\ce{Cl2}) =  
dm3

Dopunite rečenicu.

Pri elektrolizi vodene otopine \( \ce{NiSO4}\) \ce{NiSO4} uz platinske elektrode teče struja jakosti 0,750 A. Izračunaj masu nikla koja se izluči na katodi tijekom šest sati.

Rješenje:

\( m(\ce{Ni}) = \) m(\ce{Ni}) =
g
1/5