|
ΠΕΙΡΑΜΑ Ηλεκτρόλυση νερού ή ηλεκτρόλυση αραιού διαλύματος θειικού οξέος με ηλεκτρόδια λευκοχρύσου (Pt).
Διδακτική εφαρμογή: Το πείραμα της ηλεκτρόλυσης του νερού βασίζεται στη θεωρία της Χημείας Κατεύθυνσης Β΄ Λυκείου και απευθύνεται τόσο σε μαθητές όσο και σε φοιτητές.
Σκοπός πειράματος: Να δείξουμε τη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης και τη διάσπαση του νερού με αυτήν.
Στόχοι πειράματος: Στο τέλος αυτού του πειράματος θα πρέπει ο μαθητής – φοιτητής:
Σκεύη – Συσκευές – Υλικά: 1) Συσκευή ηλεκτρόλυσης Hoffman με ηλεκτρόδια Pt Συσκευή Hoffman
Αντιδραστήρια:
Πειραματική διαδικασία:
3) Συνδέουμε τα ηλεκτρόδια της συσκευής, με τη βοήθεια των καλωδίων που φέρουν κροκοδειλάκια, με τους πόλους του μετασχηματιστή, με τάση περίπου 16V ή με 4 μπαταρίες των 4,5 V συνδεμένες σε σειρά.
Διαδικασία ανίχνευσης αερίων προϊόντων της ηλεκτρόλυσης:
Η Χημεία του πειράματος: α) Αντιδράσεις ιοντισμού του διαλύματος του H2SO4: Επομένως στο διάλυμα εμφανίζονται τα εξής : Κάθοδος (-) : Προς την κάθοδο θα κινηθούν τα H+, H2O. Το περιβάλλον στην περιοχή της καθόδου είναι όξινο (αφού τα Η+ προέρχονται κυρίως από τον ιοντισμό του H2SO4). Μεταξύ αυτών των δύο από τη σειρά εκφόρτισης προηγούνται τα Η+. Άρα αυτά θα αναχθούν στην κάθοδο σύμφωνα με την αντίδραση: Κάθοδος: 2Η+(aq) + 2e- Η2(g) Άνοδος (+) : Προς την άνοδο θα κινηθούν τα HSO4- , SO42-, OH-, H2O. Στην περιοχή αυτή υπάρχουν πολύ λίγα ΟΗ- (αφού αυτά προέρχονται από τον ιοντισμό του Η2Ο) δηλαδή το περιβάλλον στην περιοχή της ανόδου δεν είναι βασικό. Άρα ουσιαστικά συναγωνίζονται τα HSO4- , SO42- και τα H2O. Μεταξύ αυτών από τη σειρά εκφόρτισης προηγούνται τα Η2Ο. Άρα αυτά θα οξειδωθούν στην άνοδο σύμφωνα με την αντίδραση (οξείδωση του οξυγόνου του Η2Ο) : Άνοδος: Η2Ο(l) 2Η+(aq) + ½Ο2(g) + 2e- Προσθέτοντας τις δύο αντιδράσεις διαπιστώνουμε ότι το συνολικό αποτέλεσμα της ηλεκτρόλυσης του θειικού οξέος ανταποκρίνεται στον ιοντισμό του νερού, για το λόγο αυτό πιο συχνά, η ηλεκτρόλυση του θειικού οξέος ονομάζεται «ηλεκτρόλυση νερού». Κάθοδος (-) : 2Η+(aq) + 2e- Η2(g)
Προεργαστηριακές ερωτήσεις: 1. Να απαντήσετε τι ισχύει σε ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο:
2. Να απαντήσετε στις εξής ερωτήσεις:
3. Να δοθεί σχηματικά η ηλεκτρόλυση υδατικού διαλύματος ΚΟΗ, (ημιαντιδράσεις οξείδωσης – αναγωγής και προϊόντα ημιαντιδράσεων – σχήμα ηλεκτρολυτικού στοιχείου), με ηλεκτρόδια Pt. Να συμβουλευτείτε την παρακάτω σειρά εκφόρτισης ανιόντων και κατιόντων: Η σειρά εκφόρτισης κατιόντων στην κάθοδο (-)είναι: Η σειρά εκφόρτισης ανιόντων στην άνοδο (+) είναι:
Μεταεργαστηριακές ερωτήσεις: 1. Αν παρατηρήσουμε τη συσκευή λίγη ώρα μετά την έναρξη της ηλεκτρόλυσης, θα διαπιστώσουμε ότι ο όγκος του αερίου που έχει παραχθεί στον ένα σωλήνα είναι διπλάσιος από τον όγκο του αερίου που έχει παραχθεί στον άλλο. Τι συμπέρασμα βγάζουμε απ’ αυτό για τη σύσταση του νερού; Τι σχέση θα είχαν οι όγκοι, αν κάναμε ηλεκτρόλυση πυκνού διαλύματος υδροχλωρικού οξέος;
Απαντήσεις στις προεργαστηριακές ερωτήσεις: 1. α) Κατά τη λειτουργία ενός ηλεκτρολυτικού στοιχείου, οξείδωση πραγματοποιείται στο ηλεκτρόδιο της ανόδου και αναγωγή πραγματοποιείται στο ηλεκτρόδιο της καθόδου. β) Θετικό είναι το ηλεκτρόδιο της ανόδου και αρνητικό είναι το ηλεκτρόδιο της καθόδου. γ) Με το θετικό πόλο της πηγής συνδέεται το ηλεκτρόδιο της ανόδου και με τον αρνητικό πόλο της πηγής συνδέεται το ηλεκτρόδιο της καθόδου.
2. α) Ηλεκτρόλυση είναι το σύνολο των αντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής που λαμβάνουν χώρα σε ένα τήγμα ή διάλυμα ενός ηλεκτρολύτη όταν εφαρμόσουμε κατάλληλη διαφορά δυναμικού στα άκρα των ηλεκτροδίων. β) Η ροή των ηλεκτρονίων κατά τη λειτουργία μιας ηλεκτρολυτικής συσκευής είναι η εξής:
3. Στο διάλυμα γίνονται οι εξής αντιδράσεις: ΚΟΗ(s) → Κ+(aq) + ΟΗ-(aq) Άρα μέσα στο διάλυμα του ηλεκτρολύτη υπάρχουν: Κ+, Η+, OH-, H2O Κάθοδος (-) : Προς την κάθοδο θα κινηθούν τα Κ+, H+, H2O. Το περιβάλλον στην περιοχή αυτή δεν είναι όξινο (αφού τα Η+ προέρχονται κυρίως από τον ιοντισμό του H2Ο). Άρα ουσιαστικά συναγωνίζονται τα Κ+ και τα Η2Ο. Μεταξύ αυτών των δύο από τη σειρά εκφόρτισης προηγούνται τα Η2Ο. Άρα αυτά θα αναχθούν στην κάθοδο σύμφωνα με την αντίδραση (αναγωγή του υδρογόνου του Η2Ο) : Κάθοδος: 2Η2Ο(l)+ 2e- Η2(g) + 2ΟΗ-(aq) Άνοδος (+) : Προς την άνοδο θα κινηθούν τα OH-, H2O. Το περιβάλλον στην περιοχή αυτή είναι βασικό, αφού τα ΟΗ- προέρχονται κυρίως από τον ιοντισμό του ΚΟΗ. Μεταξύ αυτών των δύο από τη σειρά εκφόρτισης προηγούνται τα ΟΗ-. Άρα αυτά θα οξειδωθούν στην άνοδο σύμφωνα με την αντίδραση : Άνοδος: 2ΟΗ-(aq) Η2Ο(l) + ½ Ο2(g) + 2e- Ηλεκτρόλυση υδατικού διαλύματος ΚΟΗ με ηλεκτρόδια Pt
Απαντήσεις στις μεταεργαστηριακές ερωτήσεις: 1. Με αυτό τον τρόπο επιβεβαιώνεται ότι η σύσταση του νερού (Η2Ο) είναι 2:1, δηλαδή απαιτούνται δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου για το σχηματισμό ενός μορίου νερού.
Άνοδος (+) : Προς την άνοδο θα κινηθούν τα Cl-, OH-, H2O. Στην περιοχή της ανόδου υπάρχουν πολύ λίγα ΟΗ- (αφού αυτά προέρχονται από τον ιοντισμό του Η2Ο) δηλαδή το περιβάλλον στην περιοχή αυτή δεν είναι βασικό. Άρα ουσιαστικά συναγωνίζονται τα Cl- και τα H2O. Μεταξύ αυτών των δύο από τη σειρά εκφόρτισης προηγούνται τα Η2Ο. Άρα αυτά θα έπρεπε να οξειδωθούν στην άνοδο. Παρόλα αυτά, στην άνοδο πάνε και οξειδώνονται τα Cl- γιατί έχουν μεγαλύτερη συγκέντρωση. H αντίδραση οξείδωσης των Cl- είναι :
2. Αδρανή ηλεκτρόδια θεωρούνται τα ηλεκτρόδια που δεν αντιδρούν με τα συστατικά που ηλεκτρολύονται και απλώς λειτουργούν σαν αγωγοί ρεύματος. Συνήθως σαν αδρανή ηλεκτρόδια χρησιμοποιούνται ηλεκτρόδια από λευκόχρυσο (Pt) ή από γραφίτη (C). Εάν λοιπόν τα ηλεκτρόδιά μας δεν ήταν αδρανή θα είχαμε και δευτερεύουσες αντιδράσεις μεταξύ του υλικού των ηλεκτροδίων και των προϊόντων της ηλεκτρόλυσης ή μεταξύ του υλικού των ηλεκτροδίων και του διαλύματος του ηλεκτρολύτη.
3. Γιατί καθώς γίνεται η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης και παράγονται τα αέρια στα δύο σκέλη της ηλεκτρολυτικής συσκευής, το διάλυμα του ηλεκτρολύτη στους δύο σωλήνες πιέζεται από τα αέρια και υποχωρεί προς τα κάτω προκαλώντας άνοδο της στάθμης του στο μεσαίο σωλήνα, γεγονός που θα προκαλούσε υπερχείλιση του υγρού σε αυτόν, εάν τον γεμίζαμε αρχικά μέχρι επάνω.
4. Κατά την ανάφλεξη του υδρογόνου παράγεται «κροτούν αέριο» σύμφωνα με τη χημική εξίσωση: 2Η2(g) + O2(g) → 2H2O(l). Ο κρότος ακούγεται επειδή γίνεται απότομα, με την ανάφλεξη, ελάττωση του όγκου των αερίων, δηλαδή οι τρεις όγκοι (δύο όγκοι Η2(g) και ένας όγκος O2(g), γίνονται δύο όγκοι H2O(l)).
|
||||||||||||