Elektroliza w roztworach wodnych, Streszczenia z Chemia

Pobierz Elektroliza w roztworach wodnych i więcej Streszczenia w PDF z Chemia tylko na Docsity!

Elektroliza w roztworach wodnych

Wprowadzenie Przeczytaj Symulacja interaktywna Sprawdź się Dla nauczyciela

Jednym z najbardziej zasłużonych naukowców chemii był Michael Faraday – angielski fizyk i chemik. W latach 1833–1834, na podstawie wyników doświadczeń prowadzonych nad elektrolizą , sformułował ilościowe prawa rządzące tym procesem. Prawa Faradaya stanowią podstawę elektrochemii, czyli dziedziny, w której wykorzystuje się prąd elektryczny do rozkładu związków chemicznych lub ich otrzymywania (np. gazowy ). Czy wiesz, jakie związki chemiczne mogą zostać poddane elektrolizie? Czy wiesz, w jaki sposób przebiegają procesy elektrodowe z udziałem roztworów wodnych?

Twoje cele

Podasz związki chemiczne, które są poddawane procesowi elektrolizy. Zapiszesz równania reakcji, zachodzące na elektrodach podczas elektrolizy wodnych roztworów wodorotlenków, kwasów i soli. Zaproponujesz produkty elektrolizy wodnych roztworów różnych grup związków chemicznych.

Wśród elektrolitów można wymienić roztwory wodne: soli, wodorotlenków czy kwasów. Źródło: domena publiczna, dostępny w internecie: www.pixabay.com.

HCl

Elektroliza w roztworach wodnych

Proces dysocjacji elektrolitycznej NaCl Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie: M. Krzeczkowska, J. Loch, A. Mizera, Repetytorium chemia : Liceum - poziom podstawowy i rozszerzony, Wydawnictwo Szkolne PWN, Warszawa - Bielsko-Biała 2010., licencja: CC BY-SA 3.0.

W momencie, gdy w roztworze znajduje się wystarczająca ilość jonów oraz zostanie przyłożone źródło prądu stałego, zachodzi wymuszony proces migracji jonów – elektroliza. W układach, takich jak wodny roztwór , można utlenić lub zredukować więcej niż jeden rodzaj indywiduów, a do określenia najbardziej prawdopodobnego procesu utlenienia używa się standardowych potencjałów redukcji.

Przewidywanie produktów elektrolizy prowadzonej

w roztworach wodnych na elektrodach obojętnych

Podczas przewidywania produktów elektrolizy wykorzystuje się wartości ich potencjałów. Na tej podstawie skonstruowano szereg napięciowy metali.

Elektroda [V] Elektroda [V] -3,04 -0, -2,92 -0, -2,91 -0, -2,76 -0, -2,71 -0, -2,36 0, -1,70 +0, -1,18 +0,

NaCl

ε 0 ε 0

Li / Li+^ Co / Co2+

K/K+^ Ni / Ni2+

Ba / Ba2+^ Sn / Sn2+

Ca / Ca2+^ Pb / Pb2+

Na / Na+^ Fe / Fe3+

Mg / Mg2+^ H 2 /2H+

Al / Al3+^ Cu / Cu 2+

Al / Al3+^ Ag / Ag+

Elektroda [V] Elektroda [V] -0,76 +0, -0,74 +1, -0,44 +1,

Szereg napięciowy metali Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Wartość potencjału decyduje o kolejności wydzielania metali i niemetali na elektrodach.

Kolejność rozkładu substancji na katodzie Kolejność rozkładu substancji na anodzie kationy metali ciężkich (znajdujących się za glinem w szeregu napięciowym), kationy oksoniowe (dla roztworu o odczynie kwasowym), woda:

aniony kwasów beztlenowych, aniony wodorotlenkowe, woda:

Pamiętaj! W roztworach wodnych nie będzie zachodziła redukcja kationów metali lekkich (znajdujących się w szeregu napięciowym przed glinem).

Pamiętaj! W roztworze wodnym nie ulegają utlenianiu aniony kwasów tlenowych.

ε 0 ε 0

Zn / Zn2+^ Hg / Hg2+

Cr / Cr3+^ Pt / Pt2+

Fe / Fe2+^ Au / Au3+

Tabela 1. Potencjały standardowe metali. Opracowano na podstawie „Wybrane wzory i tabele fizykochemiczne na egzamin maturalny z biologii, chemii i fizyki” Centralnej Komisji Egzaminacyjnej.

ε 0

H 3 O+

2 H 2 O + 2 e−^ → H 2 ↑+2 OH−

6 H 2 O → O 2 ↑ +4 H 3 O+^ + 4 e−

Słownik

elektroda

(gr. ḗlektron „bursztyn”, hodós „droga”) chem. układ złożony z przewodnika elektronowego (metal, półprzewodnik), stykającego się z przewodnikiem jonowym (najczęściej ciekły elektrolit), w którym może przebiegać reakcja elektrodowa utleniania‐redukcji

elektroliza

(gr. ḗlektron „bursztyn”, lýsis „rozłożenie”) podstawowy proces elektrochemiczny, polegający na chemicznej przemianie składników elektrolitu, a często i materiału elektrod, przebiegającej na elektrodach pod wpływem przepływu prądu elektrycznego

elektrolit

(gr. ḗlektron „bursztyn”, lytós „rozpuszczalny”) chem. przewodnik elektryczny jonowy (zwany też przewodnikiem drugiego rodzaju), w którym poruszające się jony przenoszą ładunki elektryczne, a przewodzenie prądu zawsze jest związane z transportem masy

Elektroliza zasad

ubywa wody, stężenie zasady rośnie, pH rośnie Elektroliza soli zachodzi zgodnie z omówionymi powyżej regułami dotyczącymi kationu metalu i anionu reszty kwasowej

rośnie stężenie jonów , pH rośnie rośnie stężenie jonów , pH maleje

K(−) 4 H 2 O + 4 e−^ → 2 H 2 ↑+ 4 OH−

Na katodzie zachodzi redukcja wody, jeśli w skład zasady wchodzi metal znajdujący się w szeregu napięciowym na początku, czyli do glinu włącznie ( ≤ -1,69 V), takie metale nie redukują się na katodzie.

E 0

K(−) Men+^ + ne−^ → Me Metal znajdujący się za glinem w szeregu napięciowym ( > -1,69 V) redukuje się na katodzie (większość wodorotlenków tych metali jest trudno rozpuszczalna w wodzie i stąd w praktyce nie prowadzi się ich elektrolizy).

E 0

A(+) 4 OH−^ → 2 H 2 O + O 2 ↑+4 e−

np. KBr → K+^ + Br−

K (−) 2 H 2 O + 2 e−^ → 2 OH−^ + H 2 ↑ A(+) 2 Br−^ → Br 2 + 2 e− (w pobliżu katody odczyn zasadowy)

np. CuSO 4 → Cu2+^ + SO 4 2−

K(−) 2 Cu2+^ + 4 e−^ → 2 Cu

A(+) 6 H 2 O → 4 H 3 O+^ + O 2 ↑ +4 e−(w

pobliżu anody odczyn kwasowy)

OH−^ H 3 O+

dysocjacja elektrolityczna

(łac. dissociatio „rozdzielenie”) samorzutny proces rozpadu cząsteczek elektrolitów (kwasów, zasad, soli) w roztworach, na dodatnio i ujemnie naładowane cząstki, tj. jony, pod wpływem działania rozpuszczalnika

utlenianie

(łac. oxidatio „utlenianie”) oksydacja; chem. proces polegający na oddaniu elektronu (elektronów) przez jon, atom lub grupę atomów, w wyniku czego podwyższa się stopień utlenienia pierwiastka, który oddaje elektrony

redukcja

(łac. reduco „zmniejszenie, ograniczenie, zniżenie”) chem. proces polegający na pobraniu elektronu (elektronów) przez jon lub atom, w wyniku czego maleje stopień utlenienia pierwiastka

standardowy potencjał redukcji

(standardowy potencjał elektrochemiczny E ) określa tendencję do oddawania elektronów przez indywiduum chemiczne; wartości standardowych potencjałów redukcji są wyznaczone w warunkach standardowych (temperatura 25ºC, ciśnienie 1 atm.) i są ujęte w tablicach chemicznych

Bibliografia

Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., Chemia. Repetytorium. Liceum - poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa - Bielsko‐Biała 2010.

0

Ćwiczenie 1

Ćwiczenie 2

Spośród podanych poniżej roztworów wybierz te, które przewodzą prąd.

gliceryna

roztwór kwasu octowego

roztwór wodorotlenku potasu

woda destylowana

Zaznacz, które zdania zawierają prawdziwe informacje.

Podczas procesu elektrolizy na katodzie zachodzi redukcja.

Podczas procesu elektrolizy na katodzie zachodzi utlenianie.

Podczas procesu elektrolizy na anodzie zachodzi utlenianie.

Podczas procesu elektrolizy na anodzie zachodzi redukcja.

Ćwiczenie 3

Podane poniżej jony podziel na dwie grupy w zależności, do jakiej elektrody wędrują w roztworze.

katoda

anoda

Zn2+^ Cl−^ Br−^ SO 4 2−

K+^ Mg2+^ Fe3+^ NO 3 −

OH−^ Na+^ Cu2+

Ćwiczenie 3

Uzupełnij luki w poniższym tekście.

W momencie, gdy w roztworze znajduje się wystarczająca ilość jonów oraz zostanie przyłożone źródło prądu stałego, zachodzi wymuszony proces –

. W układach, takich jak wodny roztwór , można utlenić lub więcej niż jeden rodzaj indywiduów, a do określenia najbardziej prawdopodobnego utlenienia używa się .

NaCl

Ćwiczenie 4

Ćwiczenie 5

Przeprowadzono elektrolizę wodnych roztworów , oraz wobec elektrod platynowych. Podczas doświadczenia zapisano obserwacje oraz dokonano pomiaru pH wodnego roztworu, przed i po elektrolizie. Dane zawarto w tabeli poniżej.

a) Dopasuj produkty reakcji w elektrolizerach.

b) Zastanów się i odpowiedź na pytanie: dlaczego w elektrolizerze nr 2 nastąpiła zmiana pH roztworu?

KCl KOH K 2 SO 4

Odpowiedź:

醙

醙

醙

Ćwiczenie 6

Elektrolizie poddano wodne roztwory poniższych związków. W wyniku, jakich związków, poddanych elektrolizie, powstaje tlen i wodór w stosunku 1:2?

Odpowiedzi zapisz za pomocą wzorów sumarycznych.

a) wodorotlenek sodu;

b) kwas siarkowy(VI);

c) wodorotlenek potasu;

d) siarczek potasu;

e) siarczan(IV) potasu;

f) chlorek cynku;

g) kwas siarkowodorowy;

h) kwas solny;

i) siarczan(VI) miedzi(II).

Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Zaloguj się, aby dodać ilustrację.

醙

Ćwiczenie 9

Źródło: Egzamin maturalny z chemii. Poziom rozszerzony, CKE, maj 2008.

Określ funkcję, jaką pełni substancja, którą należy rozpuścić, aby umożliwić elektrolizę wody.

Źródło: Egzamin maturalny z chemii. Poziom rozszerzony, CKE, maj 2008.

Chemicznie czysta woda nie ulega elektrolizie. Aby umożliwić ten proces, należy w wodzie rozpuścić odpowiednią substancję. Zachodzi wtedy elektrolityczny rozkład wody, którego przebieg ilustruje następujące równanie:

“

2 H 2 O

elektroliza → 2 H 2 + O 2

Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Zaloguj się, aby dodać ilustrację.

Napisz równania reakcji elektrodowych, zachodzących w czasie elektrolitycznego rozkładu wody.

Równanie reakcji katodowej:

Równanie reakcji anodowej:

H 2 O 2 H 3 O+^ 2 e−^4 4 e−^ O 2 H 2 O 2 H 2 OH−^6

難

Dla nauczyciela

Autor: Gabriela Iwińska

Przedmiot: Chemia

Temat: Elektroliza w roztworach wodnych

Grupa docelowa:

Szkoła ponadpodstawowa, liceum ogólnokształcące, technikum, zakres rozszerzony

Podstawa programowa:

IX. Elektrochemia. Ogniwa i elektroliza. Uczeń:

7. przewiduje produkty elektrolizy stopionych tlenków, soli, wodorotlenków, wodnych roztworów kwasów i soli oraz zasad.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

kompetencje cyfrowe; kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się; kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii.

Cele operacyjne

Uczeń:

rozróżnia związki chemiczne, które są poddawane procesowi elektrolizy; pisze równania reakcji, zachodzące na elektrodach podczas elektrolizy wodnych roztworów wodorotlenków, kwasów i soli; proponuje produkty elektrolizy wodnych roztworów różnych grup związków chemicznych.

Strategie nauczania:

strategia asocjacyjna.

Metody i techniki nauczania:

analiza materiału źródłowego oraz ćwiczenia uczniowskie; dyskusja; technika zdań podsumowujących;

6. Nauczyciel powtarza pytanie z pkt. pierwszego. Oddaje uczniom kartki z pierwotnymi odpowiedziami i prosi o ewentualną korektę.
7. Uczniowie samodzielnie sprawdzają swoją wiedzę wykonując ćwiczenia zawarte w e‐materiale – sprawdź się.

Faza podsumowująca:

1. W ramach podsumowania uczniowie wykonują ćwiczenie numer 9. Ewentualne problemy prowadzący omawia wraz z uczniami na forum klasy.
2. Jako podsumowanie lekcji nauczyciel może wykorzystać zdania do uzupełnienia, które uczniowie również zamieszczają w swoim portfolio: Przypomniałem/łam sobie, że... Co było dla mnie łatwe... Czego się nauczyłem/łam... Co sprawiało mi trudność...

Praca domowa:

1. Uczniowie wykonują pozostałe zadania z e‐materiału – zestaw ćwiczeń.

Materiały pomocnicze:

K. H. Lautenschläger, W. Schröter, A. Wanninger, Nowoczesne kompendium chemii, tłum. A. Dworak, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2014. L. Jones, P. Atkins, Chemia ogólna : cząsteczki, materia, reakcje, tłum. J. Kuryłowicz, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2004.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania multimedium:

Uczniowie mogą wykorzystać medium z sekcji „Symulacja interaktywna” jako inspirację do przygotowania własnej prezentacji multimedialnej w temacie „Elektroliza w roztworach wodnych”.