Back to chapter

18.10:

Elektrolyse

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Electrolysis

Languages

Share

Spontane redoxreacties in voltacellen zetten chemische energie om in elektrische energie. Als alternatief stimuleert externe elektrische energie niet-spontane redoxreacties in een proces dat elektrolyse wordt genoemd en dat plaatsvindt in een elektrolytische cel. Een elektrolytische cel heeft een anode voor oxidatie en een kathode voor reductie.In tegenstelling tot de voltaïsche cel, waar de negatief geladen anode de bron van elektronen is, heeft de elektrolytische cel een externe bron van elektronen, zoals een batterij. De batterij trekt elektronen uit de anode die is aangesloten op de positieve pool en drijft elektronen naar de kathode, die is verbonden met de negatieve pool. Zo stromen elektronen van de positieve naar de negatieve pool van de externe voedingsbron.Elektrolyse wordt gebruikt om ionische verbindingen te scheiden in hun samenstellende elementen. In hun gesmolten of waterige toestand zijn de samenstellende ionen vrij om elektriciteit te geleiden. Denk aan kaliumbromide dat smelt bij een temperatuur van 734 graden Celsius.Hier zijn bromide-en kaliumionen aanwezig in respectievelijk hun laagste of hoogste oxidatietoestand. Onder stroom worden de bromide-ionen aan de anode geoxideerd tot broomgas en worden kaliumionen aan de kathode gereduceerd tot vast kalium. In gesmolten ionische mengsels zoals natriumjodide en kaliumbromide, worden standaard elektrodepotentialen gebruikt om te voorspellen welke stof zal reageren.In het algemeen worden anionen met een lagere elektrodepotentiaal geoxideerd en worden kationen met een meer positieve elektrodepotentiaal verminderd. Interessant is dat elektrolyse van waterig kaliumbromide verschillende producten produceert uit gesmolten zouten vanwege de mogelijke elektrolyse van water. Er kunnen dus twee reacties optreden bij elke elektrode;de oxidatie van bromide-ionen of water aan de anode en de reductie van kaliumionen of water aan de kathode.Gezien de lagere elektrodepotentiaal, wordt oxidatie van bromide-ionen tot broom bevorderd, terwijl de positievere elektrodepotentiaal van water de reductie tot waterstofgas stimuleert. Stoichiometrie van de halfreacties kan worden gebruikt om de hoeveelheid stoffen te berekenen die tijdens elektrolyse worden geproduceerd of verbruikt. Bij elektrolyse van gesmolten kaliumbromide wordt bijvoorbeeld één elektron gebruikt om een kaliumatoom te vormen.Dus voor elke mol elektronen of 96.485 coulombs lading die passeert, produceert de cel één mol of bijna 39 gram vast kalium.

18.10:

Elektrolyse

In a galvanic cell, the electrical work is done by a redox system on its surroundings as electrons produced by the spontaneous redox reactions are transferred through an external circuit. Alternatively, an external circuit does work on a redox system by imposing a voltage sufficient to drive an otherwise nonspontaneous reaction in a process known as electrolysis. For instance, recharging a battery involves the use of an external power source to drive the spontaneous (discharge) cell reaction in the reverse direction, restoring to some extent the composition of the half-cells and the voltage of the battery. Other examples include the use of electrolysis in the refinement of metallic ores, the manufacture of commodity chemicals, and the electroplating of metallic coatings onto utensils, jewelry, etc.

Predicting the Product of Electrolysis

The electrolysis of molten sodium chloride, NaCl (l), is used for the industrial production of metallic sodium, Na, and chlorine gas, Cl2. Sodium ions (Na+) are reduced to atoms at the cathode, while chloride ions (Cl) ions are oxidized to chlorine gas, Cl2, at the anode. The redox reactions are:

Eq1

The negative cell potential indicates a nonspontaneous reaction that must be driven by imposing a positive potential of magnitude greater than −4.07 V. Electrolysis of molten sodium chloride is carried out at a high temperature of 801 °C as ionic solids melt at high temperatures.

The electrolysis of water produces stoichiometric amounts of oxygen gas at the anode and hydrogen at the cathode. To improve electrical conductivity, the hydrogen ion concentration of the water is increased by adding a strong acid. The associated redox reactions are:

Eq2

The electrolysis of solutions of ionic compounds such as aqueous sodium chloride may involve the electrolysis of either water species (H2O, H+, OH) or solute species (the cations and anions of the compound) at the anode and cathode.

The electrolysis of aqueous sodium chloride could involve either of these two anode reactions:

Eq3

Thermodynamically, water would be more readily oxidized; however, in practice, chlorine gas is produced. Oxidation of water would require a much larger voltage to initiate. To overcome this overvoltage, electrodes are chosen and the potential of the cell is carefully monitored to ensure that the oxidation of chloride ions at the anode.

Similarly, the possible reduction reactions at the cathode are:

Eq4

Comparing these standard half-reaction potentials suggests the reduction of water is thermodynamically favored. The net cell reaction in this case is then:

Eq5

Quantitative Aspects of Electrolysis

Electrical current is the rate of flow of electrons and is measured in ampere, one coulomb per second (A = 1 C/s). The charge transferred, Q, by passage of a constant current, I, over a specified time interval, t, is given by

Eq6

When electrons are transferred during a redox process, the stoichiometry of the reaction may be used to derive the total amount of (electronic) charge involved. For example, the generic reduction process,

Eq7

involves the transfer of n mole of electrons. The charge transferred is, therefore,

Eq8

where F is Faraday’s constant, the charge in coulombs for one mole of electrons. For an electrochemical cell, the current flow is measured and can be used in stoichiometric calculations related to the cell reaction.

This text is adapted from OpenStax, Chemistry 2e, Section 17.7: Electrolysis.