Úvod do měřeníMechanikaMolekulová fyzika a termikaElektřina a magnetismusChemie

Elektrolýza vody

30. 7. 2013, 0:00

5. 8. 2013, 18:00

Jan Pokorný

Úvod

Elektrolýza vody je základním experimentem demonstrujícím elektrolýzu. Pokud do kádinky s destilovanou vodou ponoříme elektrody, na které vložíme stejnosměrné napětí, zjistíme, že obvodem žádný proud neprochází. Vedení proudu destilovanou vodou ani její rozklad elektrickým proudem není možný, protože takto upravená voda obsahuje minimum částic schopných přenášet elektrický náboj. Destilovaná voda je tedy velmi slabým elektrolytem, její molekuly disociují na ionty ${\rm H^{+}}$ a ${\rm OH^{-}}$ jen v minimální míře. Jakmile do destilované vody přikápneme pár kapek kyseliny či zásady nebo vsypeme malé množství soli, voda se rázem stává dobrým vodičem proudu, neboť přidaná látka disociuje na velký počet iontů a ty elektrický náboj rychle přenáší. Proto se roz-klad vody provádí nejčastěji s přídavkem kyseliny sírové, která v roztoku disociuje na ionty ${\rm H^{+}}$ a ${\rm SO_{4^{2-}}}$.

Při vložení stejnosměrného napětí na elektrody vodíkové kationty putují k záporné elektrodě (katoda), kde přijmou elektron a mění se na atomární vodík. Ten se ihned slučuje na molekulu vodíku ${\rm H_{2}}$. Síranové anionty putují ke kladné elektrodě (anoda), kde odevzdávají dva elektrony za vzniku nestabilní elektricky neutrální molekuly ${\rm SO_{4}}$, která ihned reaguje s molekulou vody za vzniku nové kyseliny sírové a kyslíku.

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

Plyny vznikající na elektrodách poznáme podle unikajících bublinek. Souhrnnou rovnici elektrolýzy vody můžeme psát v následujícím tvaru:

$${\rm 2H_{2}O\longrightarrow 2KOH + 2H_{2} + O_{2}}.$$

Z rovnice je patrné, že množství vznikajícího vodíku je dvakrát větší než množství kyslíku. Je také zřejmé, že množství kyseliny sírové se elektrolýzou nemění, nastává pouze rozklad a úbytek vody, což se projeví zvyšující se koncentrací ${\rm H_{2}SO_{4}}$ v elektrolytu.

Elektrolýza vody se provádí ve speciálním skleněném přístroji k tomu určeném – tzv. Hofmannův přístroj. Ten sestává ze třech vzájemně pro-pojených trubic: dvě postranní jsou ocejchovány stupnicí a slouží k jímání a odměřování objemu vznikajících plynů, prostřední trubice je nahoře opatřena baňkou a jejím úkolem je vyrovnávání tlaků. Slouží rovněž k nalévání elektrolytu. Horní konce postranních trubic jsou opatřeny zábrusovými kohouty pro pohodlné odpouštění plynů, na dolních koncích najdeme zatavené platinové elektrody. Můžeme se však setkat i s přístrojem, který má dolní konce trubic opatřeny otvory pro zasunutí elektrod v podobě zátek. V tom případě při nalévání elektrolytu dáváme pozor, aby zátky dobře těsnily.

V tomto experimentu provedeme elektrolýzu vody okyselené ${\rm H_{2}SO_{4}}$ v Hofmannově přístroji. Přesvědčíme se, že poměr vzniklého vodíku a kyslíku je 2 : 1 a oba plyny prokážeme specifickou reakcí.

Pomůcky

Hofmannův přístroj, platinové elektrody, zdroj stejnosměrného napětí 30 V, stojan, držáky, vodiče s krokosvorkami, 500 ml kádinka, skleněná tyčinka, odměrný válec, zkumavka, špejle, zápalky, multimetr.

Chemikálie

Kyselina sírová $({\rm H_{2}SO_{4}})$, destilovaná voda.

Postup

• Do 500 ml kádinky nalijeme 329 ml destilované vody a pomalu za stálého míchání přiléváme 21 ml koncentrované kyseliny sírové.
• Hofmannův přístroj pevně uchytíme pomocí držáků ke stojanu a povolíme zábrusové kohouty postranních ramen. Do baňky poté opatrně lijeme elektrolyt, až hladina v obou ramenech vystoupí těsně ke kohoutům.
• Kohouty uzavřeme a platinové elektrody připojíme pomocí vodičů ke zdroji stejnosměrného napětí.
• Po zapnutí zdroje nastavíme takové napětí, až se na elektrodách začnou vylučovat bublinky plynů. Pokud napětí zvýšíme, elektrolýza bude probíhat rychleji, dáváme však pozor, aby se Hofmannův přístroj příliš nezahříval.
• Jakmile máme v postranních trubicích dostatečné množství vodíku a kyslíku, elektrolýzu přerušíme a přistoupíme k ověření vzniklých plynů.
• Z katodového prostoru odpustíme pomocí kohoutu vodík do zkumavky obrácené dnem vzhůru (vodík je lehčí než vzduch) a hrdlo zkumavky přiložíme k hořící zápalce. Uslyšíme charakteristické „štěknutí“. Kyslík jímáme do zkumavky z anodového prostoru pomocí gumové hadičky nasazené na kohoutu, kterou zasuneme ke dnu zkumavky (kyslík je těžší než vzduch). Hořící špejli uhasíme a rozžhavený konec zasuneme do zkumavky. Špejle by se měla v přítomnosti kyslíku vznítit.

Video

Závěr

Při probíhající elektrolýze sledujeme, že poměr vznikajícího vodíku a kyslíku je skutečně 2 : 1, o čemž se můžeme přesvědčit na ocejchované stupnici trubic (viz obr. 1). Vodík vydává při zapálení charakteristický zvuk, kyslík vznítí doutnající špejli. Pokud po skončení elektrolýzy zůstanou na elektrodách bublinky vyloučených plynů, připojíme k elektrodám voltmetr a změříme elektromotorické napětí. Zjistíme, že systém se chová jako galvanický článek, neboť jsou ve vzájemném kontaktu tři fáze – plyn, kapalina a kov. Dochází tak k pohybu nabitých částic fázovým rozhraním až do ustavení dynamické rovnováhy (viz obr 2).

Poznámky

• Pokud nemáme k dispozici Hofmannův přístroj, lze pokus provést v provizorně zhotovených přístrojích. Nejjednodušším způsobem je použití dvou širších zkumavek, které naplníme elektrolytem, hrdlo ucpeme, obrátíme je dnem vzhůru a ponoříme do misky s elektrolytem na připravené elektrody ohnuté vzhůru tak, aby vznikající plyn stoupal ke dnu zkumavky.
• Jestliže provádíme elektrolýzu v Hofmannově přístroji s variantou bez zatavených platinových elektrod a originální elektrody k dispozici nemáme, můžeme v krajním případě použít elektrody uhlíkové. Ty získáme tak, že rozebereme plochou 4,5 V baterii a uhlíkové tyčinky vložíme do vyvrtaného otvoru pryžové zátky. Na katodě se bude bez problému vylučovat vodík, ale anoda se bude pomalu rozpouštět. To sice ničemu nevadí, zašpiníme však vnitřek Hofmannova přístroje, který se nedá snadno vyčistit. Rozpouštějící se uhlíková elektroda znečistí elektrolyt práškovým uhlíkem do černa.
• Pokud místo platinových elektrod použijeme elektrody měděné, budou na katodě opět vznikat bublinky vodíku, anoda se ovšem bude rozpouštět a okolí elektrody se zabarví vznikajícím modrým síranem měďnatým.
• Nejvhodnější náhradou platinových elektrod jsou elektrody stříbrné. Stříbro není tak drahý kov jako platina, takže si elektrody můžeme snadno zhotovit sami za výrazně menší finanční obnos.
• Jako elektrolyt můžeme použít roztok kyseliny o libovolné koncentraci, bez problému postačí i 5% roztok. Kyselina sírová je žíravina, pracujeme proto s ochrannými pomůckami.
• Jako elektrolyt použijeme v tomto pokusu 350 ml 10% roztoku ${\rm H_{2}SO_{4}}$ o hustotě 1,066 g/ml, který připravíme výše popsaným způsobem. Při přípravě roztoku vždy lijeme kyselinu do vody, nikdy ne naopak! Došlo by k náhlému vystříknutí kyseliny a nechtěnému poleptání. Při mísení kyseliny s vodou se kádinka zahřívá vznikajícím teplem.
• Pod Hofmannův přístroj umístíme z bezpečnostních důvodů menší fotografickou vanu, abychom zamezili případnému rozlití elektrolytu.
• Po provedení pokusu plyny z postranních trubic odpustíme a elektrolyt nemusíme vylévat, použijeme ho pro další demonstrace. Hrdlo baňky při skladování ucpeme zátkou.
• Pokud po zapojení stejnosměrného napětí nevznikají na elektrodách bublinky plynu, zvýšíme napětí zdroje. Je také možné, že používáme málo koncentrovaný elektrolyt.
• Jestliže se nám nedaří prokázat vodík ve zkumavce, dbáme na to, aby při odpouštění plynu z katodového prostoru nevnikl do kohoutu náhlým otevřením elektrolyt. Kohout otáčíme pomalu a jímáme jen malé množství plynu.
• Kyslík je potřeba jímat do zkumavky tak, že zasuneme gumovou hadici až ke dnu zkumavky. Abychom mohli s hadičkou lépe manipulovat, je vhodné ke konci přidělat delší skleněnou trubičku. Kyslík jímáme ve větším množství a hrdlo zkumavky poté uzavřeme palcem, aby plyn neunikal. Mezitím zapálíme špejli, uhasíme ji a rozžhavený konec zasuneme až ke dnu zkumavky.

Použitá literatura a zdroje