Back to chapter

18.10:

אלקטרוליזה

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

תגובות חמזור ספונטניות בתאי וולטה ממירות אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית. לחלופין, אנרגיהת חשמל חיצונית מניעה תגובות חמזור בלתי ספונטניות בתהליך שנקרא אלקטרוליזה, המתרחש בתא אלקטרוליטי. לתא אלקטרוליטי יש אנודה לחמצון וקתודה לחיזור.אך בניגוד לתא וולטה, שבו האנודה בעלת המטען השלילי היא מקור האלקטרונים, לתא האלקטרוליטי יש מקור חיצוני של אלקטרונים, כמו סוללה. הסוללה מושכת את האלקטרונים מהאנודה, המחוברת לקוטב החיובי שלה ומניעה את האלקטרונים לעבר הקתודה, המחוברת לקוטב השלילי שלה. לכן, אלקטרונים זורמים מהקוטב החיובי לשלילי של ספק הכוח החיצוני.אלקטרוליזה משמשת להפרדת תרכובות יוניות ליוסודות המרכיבים אותו. במצבם המומס או המימי, היונים המרכיבים את הסוללה חופשיים להוליך חשמל. חשבו על אשלגן ברומי, הנמס בטמפרטורה של 734 מעלות צלזיוס.כאן יוני הברום והאשלגן נוכחים במצב החמצון הנמוך או הגבוה ביותר שלהם, בהתאמה. תחת כוח, יוני הברום מתחמצנים לגז ברום באנודה ויוני האשלגן עוברים חיזור לאשלגן מוצק בקתודה. בתערובות יוניות מומסות כמו נתרן יודיד ואשלגן ברומי, פוטנציאלי חיזור סטנדרטיים משמשים כדי לחזות איזה חומר יגיב.באופן כללי, אניונים עם פוטנציאל חיזור נמוך יותר מתחמצנים, וקטיונים עם פוטנציאל חויזור חיובי יותר עוברים חיזור. ראוי לציון שאלקטרוליזה של אשלגן ברומי מימי מייצרת תוצרים שונים מאלה של המלחים המומס בשל ההיתכנות לאלטקרוליזה של מים. לכן, שתי תגובות יכולות להתרחש באותה אלקטרודה;החמצון של יוני ברום או מים באנודה והחיזור של יוני אשלגן או מים בקתודה.בשל פוטנציאל החיזור הנמוך יותר שלהם, תהליך החמצון של יוני ברום לברומים הוא הסביר יותר, בעוד שפוטנציאל החיזור החיובי יותר של מים מוביל לחיזור לגז מימן. הסטויכומטריה של חצאי תגובות יכולה לשמש לחישוב כמות החומרים המיוצרים או מתכלים במהלך אלקטרוליזה. לדוגמה, אלקטרוליזה של אשלגן ברומי מומס משתמשת באלקטרון אחד ליצירת אטום אשלגן.לכן, על כל מול של אלקטרונים או 96, 485 קולון של מטען המועבר דרך התא, מיוצר מול אחד או כמעט 39 גרם של אשלגן מוצק.

18.10:

אלקטרוליזה

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.