Elektrolys av en smälta NaOH(l)
Frågan lyder:
En smälta av natriumhydroxid elektrolyseras.
a) Skriv formler för de reaktioner som sker vid elektroderna.
b) Hur stor måste spänningen minst vara mellan elektroderna?
I en elektrolyscell kommer strömmen att gå från anoden till katoden (PANK-regeln).
Negativa joner kommer alltså att röra sig mot anoden och avge elektroner, dessa är OH-
Positiva joner kommer röra sig mot katoden och ta upp elektroner, dessa är Na+
Då vill jag skriva att reduktionsreaktionen vid katoden blir:
Na+(l) + 1 e- --> Na(l)
Och oxidationsreaktionen vid anoden:
OH-(l) --> ??? + 1 e-
Vad händer om OH- lämnar ifrån sig en elektron? Kommer det bildas O2 och H+ då? Är det O2- som lämnar ifrån sig 1 elektron? Borde inte O2- lämna ifrån sig båda sina elektroner? Och borde inte H+ då dras till katoden? Vad hände med kovalenta bindningar där en två syreatomer delar på två elektroner mellan sig för att bilda O2? Hur bildas H2O? Övergår dessa till gasform direkt efter reaktionerna (eftersom det är i en smälta och enl Google är natriumhydroxids smältpunkt över 300 C)? Får inte ordning på allt så att det blir logiskt.
Ja, hydroxidjonerna bör oxideras till syrgas och vatten. Som du skriver så bör vattnet bildas i form av vattenånga på grund av temperaturen. Men det är inte helt självklart vad som bildas och det beror troligen på vilken sorts elektroder man använder. Om man använder grafitelektroder (det är vanligt i smältelektrolys) så kan nog en betydande del av syrgasen reagera med anoden och bilda koldioxid. Det skulle innebära att anoden sakta fräts sönder av smältan. När man framställer metaller industriellt på det här sättet brukar man ”baka” elektroderna under tillverkningen. Man fyller hela tiden på med en sorts grafitpasta som stelnar på anoden och ersätter den del av elektroden som fräts sönder (s.k. Söderberg-elektrod)
Tack för svar. Finns det någon step-by-step-förklaring till varför det bildas både syramolekyler och vattenmolekyler då OH- oxideras i en smälta (förstår att det blir skillnad i vattenlösning)? Eller är det bättre att bara acceptera att det är så det blir?
dvs: 4 OH- --> O2 + 2 H2O + 4 e-
Om du menar ifall det finns någon exakt reaktionsmekanism så finns det ingen jag känner till. Det kan vara ganska klurigt att bestämma sånt i och med att man måste utföra experiment för att avgöra det. Valet av elektroder har som sagt också ganska stor betydelse. Vissa metaller, t.ex. platina är väldigt bra på att adsorbera fria atomer så om man använder platinaelektroder skulle jag kunna tänka mig att reaktionen innefattar något sådant steg. Det skulle t.ex. kunna vara så att hydroxidjonerna avger elektroner och bildar OH-radikaler som binder till elektrodytan, varefter dessa spjälkas till fria syre- och väteatomer som i sin tur binder till varandra på det termodynamiskt mest fördelaktiga sättet - syrgas och vatten. Men det är helt hypotetiskt och det finns hur många tänkbara alternativ som helst.
Det viktiga här är dock att inse att det som bildas är just de produkter som är termodynamiskt mest fördelaktiga. Med det menas att naturen strävar mot att minimera Gibbs fria energi. Om ni inte har läst om det så kommer det längre fram i kemikurserna. Just vatten är en produkt som ofta bildas i reaktioner eftersom det är en energifattig molekyl som starkt bidrar till att sänka den fria energin. Med energifattig menas att bindningen mellan syre och väte är stark och att det krävs mycket energi för att bryta den. Med andra ord blir det svårt att frigöra ytterligare energi genom att binda syre och väte till något annat. Av samma anledning bildas t.ex. koldioxid och vatten vid fullständig förbränning av många sorters bränslen. Det är de mest energifattiga ämnena med starkast möjliga bindningar man kan bilda vid reaktionen och därför går det inte att förbränna dessa ytterligare och frigöra mer energi.
Man skulle kunna tänka sig att hydroxidjonerna istället oxideras till väteperoxid:
2OH- —> H2O2 + 2e-
Men om man räknar på detta ser man att det går att sänka Gibbs fria energi ytterligare genom att väteperoxid reagerar vidare och bildar syrgas och vatten:
2H2O2 —> O2 + 2H2O
Slutprodukten blir alltså syrgas och vatten snarare än väteperoxid. Nu är det ju dock så att väteperoxid är en förening som faktiskt existerar, så den sönderfaller inte direkt även om den till synes borde det. Det är samma orsak till det som till varför ett träd inte spontant brinner upp i luften även fast det borde det. Reaktionen är väldigt långsam såvida man inte tillför energi (t.ex. värme) eller en katalysator. I ditt fall är temperaturen flera hundra grader och elektroderna kan katalysera sönderfallet, därav får man inte väteperoxid som produkt.
