STUDIA MIĘDZYKIERUNKOWE
INŻYNIERIA MECHANICZNA I MATERIAŁOWA
I ROK
Ćwiczenie 4
Elektrolityczne otrzymywanie miedzi
LABORATORIUM CHEMII
WPROWADZENIE
Podczas przepuszczania prądu elektrycznego przez roztwór elektrolitu mogą następować zmiany zawartych w nim substancji. Procesy, w których następują przemiany chemiczne substancji pod wpływem prądu elektrycznego nazywamy mianem elektrolizy. Reakcje elektrochemiczne, do których zaliczamy procesy elektrolizy są reakcjami z przeniesieniem ładunku, czyli są reakcjami typu redoks. Najprostszy układ, w którym można przeprowadzić elektrolizę będzie składał się z dwóch elektrod podłączonych do źródła prądu, umieszczonych wewnątrz przewodnika jonowego (np. roztworu elektrolitu lub stopionej soli). Procesy elektrolizy zachodzą na granicy faz elektroda-przewodnik jonowy, gdzie dochodzi do wymiany ładunku pomiędzy elektrodą a składnikiem elektrolitu. Produkty elektrolizy mogą wydzielać się na elektrodzie (np. metale), mogą wydzielać się z roztworu jak np. gazy lub mogą pozostawać w roztworze. W elektrochemii elektrodę, na której zachodzi proces utleniania (dezelektronacji), przyjęto nazywać anodą, a elektrodę, na której następuje redukcja (elektronacja) – katodą. W przypadku elektrolizy anoda podłączona jest do dodatniego bieguna źródła prądu i ma potencjał dodatni natomiast katoda podłączona jest do bieguna ujemnego i ma potencjał ujemny.
Przepływ prądu elektrycznego przez elektrolit związany jest z wędrówką jonów w polu elektrycznym wytworzonym między elektrodami. Każda z elektrod przyciąga do siebie przeciwnie naładowane jony. W stronę katody (-) dążą więc dodatnio naładowane kationy, a do anody (+) ujemnie naładowane aniony. Po dotarciu do elektrody następuje wymiana ładunku pomiędzy jonami (lub obojętnymi cząsteczkami) a elektrodą, w wyniku czego powstają obojętne elektrycznie lub obdarzone innym ładunkiem atomy lub cząsteczki. Z energetycznego punktu widzenia prąd elektryczny przepływający przez elektrolit wykonuje na układzie reagentów pracę. Aby elektroliza mogła zajść napięcie przyłożone musi przekraczać pewną graniczną wartość, charakterystyczną dla danej pary elektroda – elektrolit.
W praktycznych konstrukcjach, odległość pomiędzy elektrodami powinna być nieduża żeby zminimalizować omowy spadek napięcia w roztworze. Aby zapewnić korzystny rozkład pola elektrycznego elektrody powinny być względem siebie ustawione równolegle. Nierównomierna gęstość prądowa na powierzchni elektrody powoduje niejednorodną szybkość procesu w różnych punktach powierzchni elektrody. Na rozkład linii pola duży wpływ ma też kształt elektrody. Największe zagęszczenie linii sił pola występuje na krawędziach elektrody co prowadzi w przypadku osadzania metali do tworzenia sie gruboziarnistych osadów w tych miejscach. Jest to tzw. efekt krawędziowy, bardzo niekorzystny w procesach osadzania powłok. Eliminuje się go poprzez odpowiednie rozmieszczenie elektrod i stosowanie dodatkowych elektrod pomocniczych.
Rzeczywiste napięcie procesu elektrolizy jest wyższe niż suma napięć wynikająca z zachodzących procesów elektrodowych. Bilans napięciowy elektrolizera możemy wyrazić wzorem:
Eel = Ek - Ea + |a| +|k| + iRel +iRob
gdzie: Ek,a potencjały równowagowe katody i anody, a,k nadpotencjały reakcji anodowej i katodowej, iRel omowy spadek potencjału w elektrolicie, iRob spadek potencjału w przewodach i na elektrodach. Występująca w tym wzorze różnica potencjałów równowagowych procesu anodowego i katodowego nazywana jest teoretycznym napięciem rozkładowym.
Roztwory wodne elektrolitów będą zawierały jony pochodzące z dysocjacji elektrolitycznej elektrolitu oraz jony pochodzące z autodysocjacji wody czyli H+ i OH-. O tym, które z jonów będą brały udział w reakcji elektrodowej w ogólnym przypadku będzie decydowało położenie jonów szeregu elektrochemicznym. W sposób uproszczony możemy przyjąć, że na katodzie w pierwszej kolejności będą wydzielały się metale ciężkie (stojące za glinem w szeregu napięciowym) a następnie wodór. W przypadku anionów (dla elektrod węglowych lub platynowych, czyli nie biorących udziału w procesach elektrodowych), w pierwszej kolejności będą wydzielały się aniony kwasów beztlenowych a następnie aniony OH-. W przypadku większości metali zastosowanych w roli anody będą one mogły ulegać reakcji elektrodowej (utlenianiu) i przy odpowiednim napięciu anoda będzie ulegała rozpuszczaniu.
Reakcję elektrolizy wodnego roztworu CuSO4, gdy elektrody są węglowe lub platynowe można zapisać w sposób następujący:
Na katodzie wydziela się miedź, natomiast na anodzie ponieważ roztwór jest obojętny dochodzi do rozkładu cząsteczek wody na gazowy tlen i kationy wodorowe. W przypadku gdy anodą jest elektroda miedziowa dochodzi do rozpuszczania anody:
Elektroliza prowadzi do przenoszenia miedzi z anody na katodę. Proces ten wykorzystywany jest w przemyśli do oczyszczania miedzi i innych metali i nazywany jest rafinacją. Pomiar przyrostu masy katody towarzyszącego elektrolizie roztworu CuSO4 jest przedmiotem niżej opisanego
wiczenia.
Elektroliza posiada wiele praktycznych zastosowań wykorzystywanych w przemyśle chemicznym i metalurgicznym. Należą do nich wymienione już oczyszczanie metali z domieszek (otrzymywanie miedzi elektrolitycznej), otrzymywanie gazów w skali przemysłowej (elektroliza H2O, NaCl), otrzymywanie metali alkalicznych i glinu. Być może nawet większą wagę wśród zastosowań elektrolizy ma otrzymywanie powłok elektrolitycznych. Powłoki te mają ważne miejsce wśród metod obróbki powierzchni materiałów. Powłoki elektrolityczne spełniają szereg istotnych funkcji takich jak poprawa właściwości mechanicznych, podniesienie odporności chemicznej, zabezpieczenia galwaniczne przed korozją, funkcje dekoracyjne.
Prawa elektrolizy
Pierwsze prawo Faradaya.
Pierwsze prawo Faradaya określa zależność masy substancji wydzielonej na elektrodzie me od natężenia prądu I i czasu trwania elektrolizy t.
gdzie k jest to równoważnik elektrochemiczny wyrażony w kg/C określający masę wydzielonej substancji przy przepływie ładunku jednego kulomba.
Drugie prawo Faradaya
Drugie prawo Faradaya stwierdza, że stosunek masy molowej M substancji wydzielonej na elektrodzie do iloczynu jej równoważnika k i liczby ładunkowej(liczba elektronów biorących udział w elementarnej reakcji elektrodowej) z dla zachodzącej reakcji elektrodowej jest wielkością stałą równą 96485 C/mol i nazywany jest stałą Faradaya F.
Łącząc obydwa prawa Faradaya otrzymujemy zależność nazywaną równaniem elektrolizy:
Ustalone doświadczalnie przez Faradaya prawa znajdują wyjaśnienie w świetle teorii dysocjacji elektrolitycznej po odkryciu, że ładunek jonów (i innych cząstek naładowanych) jest zawsze wielokrotnością tego samego ładunku (ładunku elementarnego). Stosunek masy jonu do jego ładunku, dla danej substancji o określonym stopniu jonizacji, jest wielkością stałą. Nieżalenie więc od liczby przeniesionych podczas elektrolizy jonów masa substancji wydzielonej na elektrodzie jest proporcjonalna do wielkości przeniesionego ładunku (pierwsze prawo Faradaya). Jeśli natomiast porównujemy skutek przepływu tego samego ładunku przez różne elektrolity to przy założeniu jednakowego stopnia jonizacji liczba wydzielonych na elektrodach jonów jest taka sama. Wydzielone masy są więc proporcjonalne do mas atomowych substancji (drugie prawo Faradaya).
WYKONANIE ĆWICZENIA
Pomiar polega na wyznaczeniu przyrostu masy katody miedzianej podczas elektrolizy wodnego roztworu CuSO4. Natężenie prądu elektrolizy I jest stałe dzięki użyciu zasilacza w trybie pracy źródła prądowego. Pozwala to w łatwy sposób określi
ładunek elektryczny q, który przepłynął przez elektrolit (q=I∙t, gdzie t - czas elektrolizy) i obliczy
wartość równoważnika elektrochemicznego miedzi.
Obwód zasilany jest napięciem stałym z zasilacza laboratoryjnego. Elektrolizerem jest zlewka wypełniona elektrolitem, w której umieszczone są anoda i katoda. Elektrodami są blaszki miedziane o grubości ok. 0.3 mm i powierzchni około 3x3 cm2 zamocowane w odległości około 1 cm od siebie. Elektrolitem jest roztwór jonów miedzi (II) o składzie: 150g CuSO4·5H20, 50g stężonego H2SO4 i 50g alkoholu etylowego na 1dm3 wody destylowanej.
Blaszki miedziane przed przystąpieniem do elektrolizy należy oczyścić drobnym papierem ściernym, następnie umyć detergentem i opłukać pod bieżącą wodą. Przed samą elektrolizą elektrody miedziane należy zanurzyć w roztworze kwasu chlorowodorowego na kilkanaście sekund i opłukać wodą destylowaną.
Elektrolizę prowadzimy dla dwóch różnych gęstości prądu. Czas elektrolizy powinien wynosić około 30 minut. Dokładną wartość tego czasu należy zmierzyć przy pomocy zegarka z sekundnikiem.
Pomiaru natężenia prądu dokonujemy odczytując wartość wskazywaną na mierniku zasilacza. Czas elektrolizy mierzony jest ręcznie przy użyciu stopera. Masy elektrod przed i po elektrolizie mierzone są na wadze analitycznej.
OPRACOWANIE WYNIKÓW
1. Opisać przebieg wykonywanego ćwiczenia.
2. Obliczyć całkowity ładunek q, który przepłynął przez obwód podczas trwania elektrolizy; q=I·t.
3. Obliczyć równoważnik elektrochemiczny miedzi kCu korzystając z I prawa elektrolizy:
kCu=m/q.
4. Obliczyć stałą Faradaya F = RCu/kCu. Równoważnik chemiczny miedzi Cu2+,
RCu = 31,78 g. R=M/z
5. Oszacować błędy pomiarowe i na ich podstawie określić niepewność wyznaczenia stałej Faradaya.
6. Porównać wyznaczone wartości z danymi tablicowymi
7. Obliczy
grubość osadzonej na katodzie warstwy miedzi.
LITERATURA
-
Chemia fizyczna. Andrzej Staronka, Wydawnictwa AGH, Kraków 1994
-
Elektrochemia II- Elektrodyka A. Kisza Wyd. NT, Warszawa 2001
| 