Úvod do měřeníMechanikaMolekulová fyzika a termikaElektřina a magnetismusChemie

Elektrolýza roztoku síranu sodného

30. 7. 2013, 0:00

Jan Pokorný

Úvod

Elektrolýza roztoku síranu sodného se velmi hodí k demonstraci kyseliny i zásady, které vznikají jako sekundární produkty vlivem procházejícího stejnosměrného proudu. K indikaci vzniklých produktů je nejvhodnější roztok lakmusu, neboť má odlišné zabarvení v kyselém a zásaditém prostředí.

Po vložení stejnosměrného napětí na elektrody ponořené do roztoku ${\rm Na_{2} SO_{4}}$ dojde k tomu, že sodné ionty putují k záporné katodě, kde přijímají elektrony, a redukují se na elementární sodík. Ten ihned reaguje s vodou za vzniku hydroxidu sodného a vodíku, což lze pozorovat unikajícími bublinkami plynu. Síranový aniont putuje roztokem ke kladné anodě, odevzdává elektrony a elektricky neutrální molekula ${\rm SO_{4}}$ se slučuje s vodou za vzniku kyseliny sírové a kyslíku, který uniká do anodového prostoru.

$${\rm Katoda-redukce: Na^{+} + e^{-}\longrightarrow Na}$$ $${\rm 2Na + 2H_{2}O\longrightarrow 2NaOH + H_{2}}$$ $${\rm Anoda-oxidace: SO_{4^{2-}} – 2e^{-}\longrightarrow SO_{4}}$$ $${\rm 2SO_{4} + 2H_{2}O\longrightarrow 2H_{2}SO_{4} + O_{2}}$$

Souhrnná reakce elektrolýzy je tedy:

$${\rm NaSO_{4} + 4H_{2}O\longrightarrow 2NaOH + H_{2}SO_{4} + 2H_{2} + O_{2}}.$$

V roztoku elektrolytu se nacházejí ionty ${\rm Na^{+}}$, ${\rm H^{+}}$, ${\rm SO_{4^{2-}}}$ a ${\rm OH^{-}}.$ Ionty ${\rm Na^{+}}$ a ${\rm SO_{4^{2-}}}$ se však obtížněji vybíjejí než ionty ${\rm H^{+}}$ a ${\rm OH^{-}}$, proto se při elektrolýze přednostně vylučují vodíkové a hydroxidové ionty. Na anodě se tvoří roztok ${\rm H_{2}SO_{4}}$ a na katodě ${\rm NaOH}$. Reakcí lakmusu s kyselinou se tento zabarvuje do červena, v zásaditém prostředí je modrý.

V tomto pokusu provedeme elektrolýzu vodného roztoku síranu sodného v U-trubici a vzniklou kyselinu a zásadu prokážeme přídavkem lakmusu.

Pomůcky

U-trubice s postranními vývody, uhlíkové elektrody, pryžové zátky s otvorem, kádinka, skleněná tyčinka, lžička na chemikálie, vodiče s krokosvorkami, zdroj stejnosměrného napětí 30 V, stojan, držáky.

Chemikálie

Síran sodný $({\rm Na_{2} SO_{4}})$, lakmus, destilovaná voda.

Postup

• Do kádinky nalijeme asi 100 ml destilované vody a přidáme lžičku ${\rm Na_{2} SO_{4}}$.
• Po rozpuštění do elektrolytu přidáme trochu lakmusu a roztok nalijeme do U-trubice připevněné ke stojanu pomocí svorek tak vysoko, aby nevytékal bočními zábrusovými vývody ven.
• Obě ramena uzavřeme zátkami s uhlíkovými elektrodami, pomocí vodičů připojíme elektrody ke zdroji stejnosměrného napětí, otevřeme boční kohouty a necháme probíhat elektrolýzu při napětí asi 10 V.
• Po pěti minutách elektrolýzu přerušíme, elektrody vytáhneme, uzavřeme boční kohouty a do obou ramen nalijeme roztok lakmusu. Pozorujeme změnu zbarvení.

Video

Závěr

Při elektrolýze roztoku síranu sodného sledujeme, že na katodě se vyvíjí bublinky vodíku a na anodě bublinky kyslíku. Katodový prostor se po přídavku lakmusu zabarví do červena přítomnou kyselinou sírovou, roztok v anodovém prostoru se zbarví po přídavku lakmusu do modra vlivem přítomného hydroxidu sodného (viz obr. 1).

Poznámky

• Je vhodné použít U-trubici s bočními zábrusovými kohouty, které otevřeme, aby jimi mohly unikat plyny vznikající na elektrodách.
• Uhlíkové elektrody získáme rozebráním ploché 4,5 V baterie. Vložíme je do otvorů v pryžových zátkách, které poslouží jako uzávěry U-trubice.
• K tomuto pokusu není vhodné používat elektrody z jiného materiálu, protože anoda by se začala rozpouštět a reagovat s elektrolytem za vzniku příslušného síranu.
• Síran sodný je bílá krystalická látka, kterou známe také pod triviálním názvem „Glauberova sůl“, což je dekahydrát síranu sodného ${\rm Na_{2} SO_{4}.10H_{2}O}$.
• Pokud nemáme k dispozici lakmus ve formě roztoku, rozpustíme několik granulek modrého lakmusu v malém množství destilované vody, při rozpouštění si pomůžeme skleněnou tyčinkou. Usazeninu je vhodné přefiltrovat. Roztok lakmusu má tmavě modrou barvu.
• Lakmus do elektrolytu přidáváme z toho důvodu, že změna zbarvení je pozorovatelná již během elektrolýzy, není však moc dobře patrná. Proto po skončení elektrolýzy do obou ramen lakmus přidáme a změnu zbarvení ihned pozorujeme.
• Pokud nepozorujeme po přídavku lakmusu žádnou změnu zbarvení, zkusíme elektrolýzu provést s koncentrovanějším roztokem, popř. roztok elektrolyzujeme delší dobu.
• Jestliže jsme přidali lakmus do elektrolytu před elektrolýzou, nemusí být změna zbarvení dobře patrná. Přídavkem lakmusu se elektrolyt barví do modra a jeho červené zabarvení tak není příliš výrazné. Proto lakmusu přidáme větší množství do obou ramen U-trubice až po proběhnutí elektrolýzy.

Použitá literatura a zdroje