Úvod do měřeníMechanikaMolekulová fyzika a termikaElektřina a magnetismusChemie

Elektrolýza roztoku NaCl

30. 7. 2013, 0:00

4. 8. 2013, 15:00

Jan Pokorný

Úvod

Pokud si chceme vyzkoušet elektrolýzu v domácích podmínkách, připravíme elektrolyt nejjednodušeji z obyčejné kuchyňské soli. Ionty sodíku a chlóru zapříčiní dostatečnou vodivost vody a k pokusu stačí plochá 4,5 V nebo 9 V baterie. Jako elektrody jsou nevhodnější uhlíkové tyčinky.

Při připojení vnějšího zdroje stejnosměrného napětí putují v roztoku ionty ${\rm Na^{+}}$ k záporné katodě, kde přijmou elektron, dojde k redukci a vzniká elementární sodík. Poněvadž pracujeme ve vodném prostředí, slučuje se sodík ihned s vodou za vzniku hydroxidu sodného a plynného vodíku. Chloridové anionty putují ke kladné anodě, kde odevzdávají elektron a oxidují se na plynný chlór.

$${\rm Katoda-redukce: Na^{+} + e^{-}\longrightarrow Na}$$ $${\rm 2Na + 2H_{2}O\longrightarrow 2NaOH + H_{2}}$$ $${\rm Anoda-oxidace: 2Cl^{-} – 2e^{-}\longrightarrow Cl_{2}}$$

Celkovou rovnici elektrolýzy můžeme zapsat v následujícím tvaru:

$${\rm 2NaCl + 2H_{2}O\longrightarrow 2NaOH + H_{2} + Cl_{2}}.$$

Pokud do elektrolytu přidáme látku indikující zásadité prostředí, bude se okolí katody patřičně zabarvovat. K tomuto účelu se nejvíce hodí fenolftalein, který je v neutrálním prostředí bezbarvý, ale vznikajícím hydroxidem se katodický prostor barví do růžova. Přítomnost chlóru dokážeme nejsnáze jodidoškrobovým papírkem.

a) Laboratorní provedení v U-trubici

V tomto experimentu provedeme elektrolýzu vodného roztoku chloridu sodného v U-trubici a vzniklé produkty prokážeme specifickými reakcemi.

Pomůcky

U-trubice s postranními zábrusovými kohouty, uhlíkové elektrody, pryžové zátky, gumová hadice, kádinka, skleněná tyčinka, lžička na chemikálie, filtrační papír, vodiče s krokosvorkami, zdroj stejnosměrného napětí 30 V, stojan, držáky.

Chemikálie

Chlorid sodný $({\rm NaCl})$, fenolftalein, jodid draselný $({\rm KI})$, škrobový maz, destilovaná voda.

Postup

• Do kádinky nalijeme asi 100 ml destilované vody a přidáme ne-celou lžičku ${\rm NaCl}$. Skleněnou tyčinkou mícháme do rozpuštění soli.
• U-trubici upevníme pomocí držáků ke stojanu a naplníme ji připraveným elektrolytem kousek pod boční vývody se zábrusovými kohouty, které jsme předem uzavřeli.
• Do katodového ramene trubice kápneme asi 2 kapky fenolftaleinu a obě ramena uzavřeme zátkami s uhlíkovými elektrodami. Elektrody by měly být ponořeny alespoň 1 cm v elektrolytu.
• Pomocí vodičů připojíme elektrody ke zdroji stejnosměrného napětí. Na boční vývod katodového prostoru s kohoutem nasadíme asi 20 cm dlouhou gumovou hadici ohnutou směrem vzhůru, do níž přeteče přebytečný elektrolyt při hromadění chlóru v prostoru anody. Katodový kohout otevřeme, zapneme zdroj napětí asi 5 V a necháme probíhat elektrolýzu.
• Po cca 5 minutách elektrolýzu přerušíme a do anodového bočního vývodu zasuneme stočený filtrační papír, který jsme předem smočili ve směsi roztoku ${\rm KI}$ a škrobového mazu (jodidoškrobový papírek).
• Otevřeme kohout a sledujeme, jak unikající chlór vytěsní jód z jodidu. Elementární jód se prokáže reakcí se škrobovým mazem zmodráním filtračního papíru.

Video

Závěr

Po připojení vnějšího stejnosměrného napětí vznikají v katodovém prostoru bublinky vodíku, které unikají otevřeným bočním kohoutem ven. Hromadící se hydroxid draselný reaguje s fenolftaleinem za vývoje intenzivně fialového zabarvení, což značí přítomnost ${\rm OH^{-}}$ iontů. Chlór v anodovém prostoru snižuje hladinu elektrolytu až do doby, kdy elektrolyt klesne pod elektrodu a obvodem přestane protékat proud. Po otevření kohoutu pozorujeme reakci chlóru s jodidoškrobovým papírkem, který zmodrá (viz obr. 1).

Poznámky

• K pokusu jsou nejvhodnější uhlíkové elektrody délky alespoň 6–8 cm. Pokud použijeme elektrody měděné, chlór na anodě bude reagovat s elektrodou a nebude se vylučovat v plynné podobě. Elektroda se tak bude rozpouštět a vznikající sůl zabarví okolní elektrolyt.
• Uhlíkové elektrody umístíme do vyvrtaného otvoru v pryžové zátce. Zátky nám poslouží jako uzávěry U-trubice. Postranními kohouty budou vzniklé plyny unikat z U-trubice ven.
• Místo chloridu sodného můžeme použít i další alkalické chloridy $({\rm KCl})$. Pokud bychom prováděli elektrolýzu jiného alkalického halogenidu $({\rm KBr})$, vznikal by na anodě příslušný halogen (bróm).
• Jodid draselný a škrobový maz budeme potřebovat k přípravě jodido-škrobového papírku. Škrobový maz připravíme povařením asi jedné lžičky škrobu v 500 ml destilované vody na vodní lázni.
• K pokusu je vhodné použít co nejdelší uhlíkové elektrody, aby vzniklého chlóru bylo dostatek. Pokud máme dlouhou elektrodu pouze jednu, zapojíme ji jako anodu, aby klesající hladina elektrolytu v anodovém prostoru byla co nejdéle v kontaktu s elektrodou. Přebytečný elektrolyt vytéká do gumové hadice u katodového prostoru. Stejným způsobem uniká vznikající vodík. Chlór je po určité době patrný nažloutlým zbarvením prostoru anody.
• Poněvadž je chlór reaktivnějším prvkem, vytěsní z ${\rm KI}$ elementární jód podle rovnice: $${\rm 2 KI + Cl_{2}\longrightarrow 2 KCl + I_{2}}.$$ Vzniklý jód zreaguje s přítomným škrobovým mazem, což je na první pohled patrné zmodráním filtračního papíru. Tímhle postupem elegantně vzniklý chlór prokážeme.
• Pokud reakce vzniklých produktů nejsou průkazné, použijeme koncentrovanější elektrolyt, nebo necháme elektrolýzu probíhat déle.
• Jestliže vzniklý chlór nechce reagovat s jodidoškrobovým papírkem, můžeme k bočnímu vývodu připojit gumovou hadičku a chlór zavést do kádinky se směsí roztoku ${\rm KI}$ a škrobového mazu. Měli bychom sledovat zmodrání roztoku.

b) Domácí provedení

V této části experimentu je popsán jednoduchý návod, jak si udělat elektrolýzu doma bez speciálních pomůcek a chemikálií. Nebudeme však pozorovat žádnou výraznou změnu zbarvení.

Pomůcky

Miska na elektrolyt, elektrody, 4,5 V nebo 9 V baterie, vodiče, lžička.

Chemikálie

Kuchyňská sůl, voda.

Postup

• Do misky nalijeme vodu a rozpustíme v ní lžičku soli. Elektrolyt mícháme, až se sůl rozpustí. Poté do roztoku vložíme dvě elektrody, které spojíme pomocí vodičů s baterií. Pozorujeme průběh elektrolýzy.

Závěr

Na záporné katodě se začne po určitě době vylučovat plynný vodík. Podle materiálu anody se tato buď rozpouští, což pozorujeme zákalem roztoku v blízkosti elektrody, anebo zčerná. V případě uhlíkové tyčinky vznikají na anodě bublinky chlóru.

Poznámky

• Elektrody si můžeme zhotovit např. z měděného drátu průřezu alespoň 1 mm, nebo rozebereme starou plochou 4,5 V baterii a použijeme uhlíkové ty-činky. Je také možné použít jakýkoliv kovový vodič či drát.
• Pokud budeme elektrolýzu provádět s 9 V baterií, budou lépe patrné bublinky unikajících plynů.
• Tento experiment by měl probíhat bez větších obtíží. Pokud se však bublinky plynu nevylučují, zkusíme do roztoku přisypat více soli, abychom zvýšili vodivost elektrolytu. Je také možné, že použitá baterie je vybitá, vyměníme ji za jinou.

Použitá literatura a zdroje