Electrolytische eigenschappen
Wanneer elektroden in een elektrolytoplossing worden geplaatst en er wordt een spanning op gezet, dan zal de elektrolyt elektriciteit geleiden.
Leerdoelen
Gebruik een tabel met standaardreductiepotentialen om te bepalen welke stoffen in de oplossing gereduceerd of geoxideerd zullen worden.
Key Takeaways
Key Points
- Wanneer een elektrische stroom door een oplossing (vaak van elektrolyten ) gaat, wordt een kation of neutraal molecuul gereduceerd aan de kathode, en een anion of neutraal molecuul geoxideerd aan de anode.
- Om te bepalen welke soorten in oplossing zullen worden geoxideerd en welke gereduceerd, kan een tabel met standaardreductiepotentialen de thermodynamisch meest haalbare optie aanwijzen.
- In de praktijk kan bij elektrolyse van zuiver water waterstofgas ontstaan.
Kernbegrippen
- elektrode: het uiteinde waardoor elektrische stroom gaat tussen metalen en niet-metalen delen van een elektrisch circuit; bij elektrolyse worden de kathode en de anode afzonderlijk in de oplossing geplaatst.
- elektron: het subatomaire deeltje dat een negatieve lading heeft en om de kern draait; de stroom elektronen in een geleider vormt elektriciteit.
Elektrolytische eigenschappen
Wanneer elektroden in een elektrolytoplossing worden geplaatst en er een spanning op wordt gezet, zal de elektrolyt elektriciteit geleiden. Eenzame elektronen kunnen gewoonlijk niet door de elektrolyt passeren; in plaats daarvan treedt aan de kathode een chemische reactie op die elektronen van de anode verbruikt. Een andere reactie vindt plaats aan de anode, waarbij elektronen worden geproduceerd die uiteindelijk naar de kathode worden overgebracht. Als gevolg hiervan ontwikkelt zich een negatieve ladingswolk in de elektrolyt rond de kathode, en een positieve lading rond de anode. De ionen in de elektrolyt neutraliseren deze ladingen, waardoor de elektronen kunnen blijven stromen en de reacties kunnen doorgaan.
Bij voorbeeld, in een oplossing van gewoon keukenzout (natriumchloride, NaCl) in water is de kathode-reactie:
2e^{H}_{2}^{O}+2e^{-}+^{OH}^{-}+^{H}_{2}
en er borrelt waterstofgas op. De anode-reactie is:
2 natriumionen+ 2e^{Cl}+ 2e^{-}
en er komt chloorgas vrij. De positief geladen natriumionen Na+ reageren naar de kathode en neutraliseren daar de negatieve lading van OH-; de negatief geladen hydroxide-ionen OH- reageren naar de anode en neutraliseren daar de positieve lading van Na+. Zonder de ionen uit de elektrolyt vertragen de ladingen rond de elektrode de verdere elektronenstroom; diffusie van H+ en OH- door water naar de andere elektrode duurt langer dan beweging van de veel vaker voorkomende zoutionen.
In andere systemen kunnen bij de elektrode-reacties zowel elektrode-metaal als elektrolyt-ionen betrokken zijn. In batterijen bijvoorbeeld worden twee materialen met verschillende elektronenaffiniteiten als elektroden gebruikt: buiten de batterij stromen de elektronen van de ene elektrode naar de andere; binnenin wordt het circuit gesloten door de ionen van de elektrolyt. Hier zetten de elektrode-reacties chemische energie om in elektrische energie.
Oxidatie en reductie aan de elektroden
Oxidatie van ionen of neutrale moleculen vindt plaats aan de anode, en de reductie van ionen of neutrale moleculen aan de kathode. Twee geheugensteuntjes om te onthouden dat reductie plaatsvindt aan de kathode en oxidatie aan de anode zijn: “Red Cat” (reductie – kathode) en “An Ox” (anode – oxidatie). Het geheugensteuntje “LeO zei GeR” is handig om te onthouden “een elektron verliezen bij oxidatie” en “een elektron winnen bij reductie.”
Het is mogelijk om ijzerionen te oxideren tot ferri-ionen aan de anode. Bijvoorbeeld:
Neutrale moleculen kunnen ook reageren aan beide elektroden. Zo kan p-Benzoquinone aan de kathode worden gereduceerd tot hydroquinone:
+ 2 e^{-} + 2 e^{-} + 2 e^{-} + 2 e^{-} + 2 e^{-}
Hydrochinon: Hydrochinon is een reductant of elektrondonor en een organisch molecuul.
Para-benzochinon: P-benzochinon is een oxidant of elektronenacceptor.
In het laatste voorbeeld nemen ook H+ ionen (waterstofionen) deel aan de reactie, en deze worden geleverd door een zuur in de oplossing of door het oplosmiddel zelf (water, methanol, enz.). Elektrolysereacties waarbij H+ ionen betrokken zijn, komen vrij vaak voor in zure oplossingen, terwijl reacties waarbij OH- (hydroxide-ionen) betrokken zijn, vaak voorkomen in alkalische wateroplossingen.
De geoxideerde of gereduceerde stoffen kunnen ook het oplosmiddel (meestal water) of de elektroden zijn. Het is mogelijk om elektrolyse te hebben waarbij gassen betrokken zijn.
Om te bepalen welke soorten in oplossing zullen worden geoxideerd en welke zullen worden gereduceerd, kan de standaardelektrodepotentiaal van elke soort worden verkregen uit een tabel met standaardreductiepotentialen, waarvan hier een kleine greep wordt getoond:
Standaardelektrodepotentiaaltabel: Dit is de standaardreductiepotentiaal voor de getoonde reactie, gemeten in volt. Een positieve potentiaal is in dit geval gunstiger.
Historisch werden oxidatiepotentialen in tabellen opgenomen en in berekeningen gebruikt, maar de huidige norm is om alleen de reductiepotentiaal in tabellen op te nemen. Als een probleem het gebruik van de oxidatiepotentiaal vereist, kan deze worden geïnterpreteerd als het negatief van de geregistreerde reductiepotentiaal. Bijvoorbeeld, verwijzend naar de gegevens in de tabel hierboven, is de oxidatie van elementair natrium (Na(s)) een zeer gunstig proces met een waarde van E_{ox}^0 (V)= + 2,71 V; dit is intuïtief logisch omdat het verlies van één elektron van een natriumatoom een natriumkation oplevert, dat dezelfde elektronenconfiguratie heeft als neon, een edelgas. De productie van deze lage-energie en stabiele elektronenconfiguratie is duidelijk een gunstig proces. Chloorgas daarentegen wordt veel eerder gereduceerd onder normale omstandigheden, zoals kan worden afgeleid uit de waarde van E_{red}^0 (V)= +1,36 V in de tabel. Bedenk dat een positievere potentiaal altijd betekent dat die reactie wordt begunstigd; dit zal gevolgen hebben voor redoxreacties.