Elektrolyse

Elektrolyse

Iedereen weet wat isolatoren zijn. Dit zijn stoffen die geen elektriciteit geleiden. Alle metalen geleiden elektriciteit, maar organische stoffen vaak niet. Ook zijn er vloeistoffen die geen elektriciteit geleiden. Gedestilleerd water is zo’n isolator.
Als we kijken naar de geleiding van elektriciteit door een vloeistof, kunnen we drie groepen vloeistoffen onderscheiden. Zuivere vloeistoffen, vloeistoffen met een zout er in opgelost en een vloeistof verkregen door een zout te smelten. Een zuivere vloeistof kan een isolator zijn als dat een eigenschap is van deze vloeistof. Een zoutoplossing en een gesmolten zout geleiden altijd elektriciteit. Om te weten hoe dit mogelijk is gaan we dadelijk zouten en ionen wat nader bekijken.

Als we elektriciteit leiden door een zout-, zuur- of alkalioplossing, ontstaat er elektrolyse. Dat wil zeggen dat er een chemische verandering plaatsvindt met bepaalde reacties in de oplossing bij de elektroden. Het geleiden van elektriciteit door vaste materialen leidt echter niet tot chemische reacties en elektrolyse. Hoe komt dat en wat gebeurt er bij elektrolyse?


Michael Faraday (1791-1867) was een van de eerste die probeerde te verklaren wat er gebeurt bij de elektrolyse van een oplossing. Faraday stelde dat de stroom door een oplossing tot stand kwam door de beweging van geladen deeltjes tussen de twee elektroden. Hij noemde deze geladen deeltjes ionen, naar het Griekse woord wat ‘reiziger’ of ‘zwerver’ betekent. Hij nam aan dat er twee soorten ionen waren, kationen en anionen. Wanneer een ion de elektrode bereikte zou deze ion de lading verliezen.

Faraday kon echter nog niet verklaren hoe de ionen in eerste plaats in de zoutoplossingen kwamen of wat er gebeurde wanneer de ionen ontlaadden bij de elektroden. Maar zijn ideeë n werden bevestigd door latere experimenten.

Pas aan het eind van de 19e eeuw begonnen we pas kennis te vergaren over de structuur van atomen en daarmee ook meer kennis over ionen. Een atoom is namelijk opgebouwd uit een positief geladen kern met protonen en neutronen, en een wolk van negatief geladen elektronen. Deze elektronen vliegen in banen op verschillende afstanden van de kern en sommige worden sterker aangetrokken dan andere. Het kan gebeuren dat een elektron uit zijn baan wordt getrokken en dan krijgen we een positief geladen atoom. Dit positief geladen atoom noemen we een kation. Ook kan er een elektron toegevoegd worden, in dit geval krijgen we een negatief geladen ion en spreken we van een anion.

Nou is misschien de indruk gewekt dat alleen losse atomen kunnen veranderen in ionen, maar dat is niet waar. Iedere groep atomen die aan elkaar vast zitten en waar gezamenlijke elektronen bij komen of af gaan, wordt een ion. Als het totale aantal aan protonen maar niet gelijk is aan het totale aantal elektronen.

Een complexe ion is een ion dat gereageerd heeft met een of meerdere neutrale moleculen of een of meerdere ionen van tegenovergestelde lading. Bijvoorbeeld het Cu2+ met water moleculen. Dan krijgen we het complexe ion [Cu4H2O]2+. Veel ionen van metalen vormen met neutrale ammonia moleculen zogenaamde amminen. Bijvoorbeeld zilver met ammonia wordt het ammine: [Ag(NH3)2]+.

Met deze kennis kunnen we verklaren waarom elektriciteit door zoutoplossingen stroomt. Wanneer elektriciteit door een metaal gaat, blijven de atomen op hun plaats in het rooster zitten en zijn het de elektronen die bewegen. Maar wanneer elektriciteit door een oplossing stroomt is er ook een stroom van ionen. De negatief geladen ionen (anionen) stromen naar de positief geladen elektrode (anode). De positief geladen ionen (kationen) stromen naar de negatief geladen elektrode (kathode). De kationen krijgen elektronen van de kathode en de anionen geven hun elektronen aan de anode.

Wanneer de elektrolyse is begonnen loopt er een ononderbroken stroom van elektronen door de elektrolyt (de vloeistof die geëlektrolyseerd wordt). Deze stroom in stand gehouden door de beweging van de ionen. De stroom kan niet beginnen totdat er een bepaalde minimum voltage is behaald. Deze voltage is nodig om de ionen bij de elektroden te laten ontladen. Dus in tegenstelling tot geleiding door metaal is er bij geleiding door een oplossing een minimum voltage nodig om het proces te starten.

De ontladingsreacties bij de elektroden zijn chemische reacties, hierdoor ondergaan de ionen veranderingen. Bij elke elektrode zijn verschillende reacties. Ook hangen deze reacties af van de concentratie van de ionen in de elektrolyt, de samenstelling van de elektroden en de temperatuur. Wanneer er stroom door metaal gaat zijn er geen chemische reacties, omdat de elektronen de stromende delen zijn en niet de ionen.

Producten van de elektrolyse van oplossingen.

Zoals al gezegd is het verschil bij de ontladingsprocessen bij de anode en de kathode dat bij de anode elektronen afgegeven worden en bij de kathode elektronen opgenomen worden.


1 Ontlading bij de kathode.
Bij de kathode zal het ion dat het makkelijkst een of meerder elektronen kan opnemen als eerste ontladen. Onder standaard condities wordt het voltage waarbij een ion ontlaadt uitgedrukt in de standaard elektrodepotentiaal.

Onder standaard condities wordt het volgende verstaan:
A De concentratie van het kation in water is 1 gram per 1000 cm3 bij een druk van 1 atmosfeer.
B De temperatuur is 25°C
C Er ontstaan evenwichtsreacties bij de kathode en er is geen andere reactie dan de betreffende reactie aanwezig.

Met het standaard elektrodepotentiaal kun je dus bepalen welk ion het eerste bij de kathode ontlaadt. Er geldt wel de regel dat het ion met het meest positieve standaard elektrodepotentiaal het eerst ontlaadt bij de kathode.

Een ion reageert bij de kathode noemen we een reductor. Reductors zijn ionen die een elektron opnemen. Een reactie waarbij dit optreedt, noemen we reductie.
Enkele voorbeeld reacties met standaard elektrodepotentialen:

Reactie bij de kathode Standaard elektrodepotentiaal in Volt
Li+(aq) + 1 e  Li(s) -3,04
Ba2+(aq) + 2 e  Ba(s) -2,90
Mg2+(aq) + 2 e  Mg(s) -2,38
Al3+(aq) + 3 e  Al(s) -1,66
Zn2+(aq) + 2 e  Zn(s) -0,76
H+(aq) + 1 e  0,5 H2(s) 0,00

Cu2+(aq) + 2 e  Cu(s) +0,34
Au+(aq) + 1 e  Au(s) +1,68

2 Ontlading bij de Anode
Bij de anode zal het ion dat het makkelijkst een of meerdere ionen kan verliezen het eerst ontladen. Ook hier wordt het voltage waarbij een ion ontlaadt onder standaard condities uitgedrukt in de standaard elektrodepotentiaal. Net als bij ontlading bij de kathode geldt er bij de anode ook de regel dat het ion met de meest positieve standaard elektrodepotentiaal het eerst ontlaadt.

We noemen ionen die reageren bij de anode oxidators. Een oxidator is een ion dat een of meerdere elektronen afgeeft. Een reactie waarbij dit plaats vindt noemen we daarom heel toepasselijk oxidatie. De verzamelnaam van reductie en oxidatie reacties is redoxreacties.

Enkele voorbeelden van reacties bij de anode en hun standaard elektrodepotentialen.

Reactie bij de anode Standaard elektrodepotentiaal in Volt
F-(aq) - 1 e  0,5 F2(g) -2,87
Cl-(aq) - 1 e  0,5 Cl2(g) -1,36
Br -(aq) - 1 e  0,5 Br2(l) -1,07
I -(aq) - 1 e  0,5 I2(s) -0,54
2 OH-(aq) - 2 e  0,5 O2(g) + H2O(l) -0,40

Ook roest is het product van een oxidatie reactie. Het roesten bestaat uit twee reacties, ijzer wordt eerst omgezet in magnetiet en vervolgens in hematiet.
Reactievergelijking vorming magnetiet:
3Fe2+ + 6OH-  3Fe(OH)2
3Fe(OH)2  Fe2O3.FeO.xH2O + H2 + 2H2O
Fe2O3.FeO.xH2O  Fe3O4 + xH2O


Als in een later stadium regelmatig zuurstof wordt aangevoerd, wordt het magnetiet afgebroken en omgezet in hematiet (Fe2O3).
Reactievergelijking vorming hematiet (roest):
4Fe3O4 + xH2O + O2  6Fe2O3. xH2O

Elektrolytisch verzinken
Met behulp van elektrolyse is het mogelijk ijzer te verzinken. Dit gaat uit van het principe dat metalen, die aan de kathode ontladen, kristalliseren en hierdoor een laagje op de kathode vormen. Als je dit lang genoeg aanhoudt, dan kan er genoeg zink op de kathode neerslaan dat het een coating vormt.

Materiaal en uitvoering:

Voor het elektrolytisch verzinken van ijzer hebben we de volgende opstelling gebruikt:

Als kathode hebben wij een elektrode van ijzer gebruikt. Deze elektrode is het voorwerp dat we willen verzinken. Als anode hebben we een elektrode van zink gebruikt.
De zinkoplossing die we hebben gebruikt moest een pH van ongeveer 4 hebben. Om dit te bereiken hebben we een zure oplossing gemaakt met een lage pH. Om deze pH weer wat omhoog te krijgen hebben we hier een basische oplossing aan toegevoegd totdat deze oplossing een pH van 4 kreeg. Dit deden we op deze manier, zodat de pH-graad beter te bepalen was.

De zure oplossing bestond uit:

- 5,6 gram ammoniumchloride (NH4Cl)
- 35,0 gram zinksulfaatheptahydraat (ZnSO.7H2O)
- 3,6 ml 4 M zwavelzuur (H2SO4)
- 150 ml demiwater
De pH van deze oplossing was <1, gemeten met pH papier.

De basische oplossing bestond uit:
- 2,9 gram natriumhydroxide (NaOH)
- 75 ml demiwater.
Deze had een pH van >10

Vervolgens hebben we er stroom door heen laten lopen van 0,2 A bij een spanning van 0,5V. We hebben deze proef 3 keer uitgevoerd; maar we hebben elke keer de tijdsduur van de proef gevarieerd. De tijdsduur van de proeven was 20, 40 en 60 minuten.

Nu er een stroom loopt zullen de volgende reacties plaats gaan vinden:
Bij de kathode: Zn2+ + 2 e-  Zn
Bij de anode: Zn  Zn2+ + 2 e-

Bij de reactie bij de kathode slaan de zinkionen op het ijzer neer. Dit zijn de ionen die we in het begin in de oplossing hebben oplost. Maar door de reactie bij de anode komen er ook weer zinkionen in de oplossing terecht. Want bij deze reactie worden de zink kristallen opgelost tot ionen. Doordat deze reactie zich 1:1 verhoudt, blijft de concentratie zink ionen in de oplossing constant. Dit is essentieel, omdat de omstandigheden tijdens de gehele proef hetzelfde moeten blijven.


Prepareren en onderzoek samples:
Nadat de elektrolyse klaar was zijn er samples gemaakt van de staafjes. Hiervoor moesten we er eerst een stukje afknippen ter grote van een centimeter, waarna dit werd ingebed in een koperhoudende perspex. Na het inbedden werd er eerst op 4 schijven van verschillende korrelgrootte geslepen. Toen het sample over de hele breedte goed zichtbaar was en alle lijnen en krasjes dezelfde richting in stonden zijn we het sample gaan polijsten. Dit gebeurde op 3 schijven, ook van verschillende korrelgrootte. Na het polijsten zijn de samples geëtst. De etsvloeistof, nital, bestond uit 1 ml 60% salpeterzuuroplossing (HNO3) en 49 ml ethanol (C2H5OH).
Tussen het slijpen door en voor en na het etsen hebben we het sample bekeken onder een lichtmicroscoop en ook foto’s gemaakt.
Na het etsen waren de samples klaar om in de Scanning Electron Microscope (SEM) bekeken te worden. Met behulp van dit apparaat hebben we foto’s gemaakt van het zinklaagje en de eventuele legeringslagen die zich op het ijzer hadden afgezet. Met dit apparaat hebben we ook de samenstelling van de samples op verschillende plekken bepaald.

Bij het ijzer zal dan de volgende reactie gaan plaatsvinden:
Zn2+ + 2 e-  Zn
Bij de electrode waar het zink aan vast zit zal de reactie juist andersom plaatsvinden:
Zn  Zn2+ + 2 e-