Szervetlen kémia I. Elektrokémia - Fémek és vegyületeik

ELEKTROKÉMIA Készült a Kémia részletes érettségi vizsgakövetelmények 1.5.5 és 4.8 pontjai alapján 
1.1. Lehetséges A) TÉTELEK és kidolgozási szempontjaik az elektrokémia témaköréből 
Az A) tételek kidolgozásához javasolt tankönyvek és segédletek 
1.2. B) TÉTELEK ELEKTROKÉMIA témából 
1.3 Lehetséges C) TÉTELEK ELEKTROKÉMIA témából 
1.4. Az írásbeli vizsga elemző és számolási feladatainak megértéséhez és az A) TÉTELEK kidolgozásához javasolt elméleti összefoglaló 
1.4.1. Elektrolízis elméleti alaptudnivalói 
1.4.2. Olvadékelektrolízis 
1.4.3. Vizes oldatok elektrolízise 
Az előző évek írásbeli vizsgáin leggyakrabban szereplő konkrét elektrolízisek elemzései 
1.4.4. A víz elektrolízisének mennyiségi vizsgálata 
1.4.5. A sósav elektrolízise 
1.4.6. Kősó oldatának lehetséges elektrolízisei 
1.4.7. Kálium-jodid-oldat elektrolízise grafitelektródán 
1.4.8. Nátrium-szulfát-oldat elektrolízise grafit/platina elektrodán: a víz bomlik 
1.4.9. Réz-szulfát oldat elektrolízise 
1.4.10. A réz-szulfát-oldat elektrolíziséhez hasonló logikával megoldható elektrolízisek 
1.4.11. Réz-klorid, cink-jodid oldat elektrolíziskor 
1.4.12. Galvánelemek gyakorlati felhasználása. Elemek, akkumulátorok 
1.5. Javasolt gyakorló feladatok 
2. SZERVETLEN KÉMIA I. – FÉMEK Kémia részletes érettségi vizsgakövetelmények 2.7. alapján 
2.1. Lehetséges A) TÉTELEK és kidolgozási szempontjaik a FÉMEK ÉS VEGYÜLETEIK témából 
2.1.1. A fémek általános jellemzői 
2.1.2. Az s-mező fémjei és vegyületeik 
2.1.3 A p-mező fémjei és vegyületeik 
2.1.4 A d-mező fémjei és vegyületeik 
2.2. B) TÉTELEK a FÉMEK ÉS VEGYÜLETEIK témából 
2.3. C TÉTELEK a FÉMEK ÉS VEGYÜLETEIK témakörből 
A fémek általános jellemzői 
Az s-mező fémjei és vegyületeik 
A d-mező fémjei és vegyületeik 
2.4. Az írásbeli vizsga elemző és számolási feladatainak megértéséhez és az A) TÉTELEK kidolgozásához javasolt elméleti összefoglaló 
2.4.1. Fématomok, fémionok 
2.4.2. FÉMEK, FÉMVEGYÜLETEK általános összefoglaló 
2.4.3 A nátrium-hidroxid (lúgkő, marónátron) és vizes oldata Javaslat a B TÉTELEK beépítésére, az A TÉTEL összeállítására 
2.4.4. A nátrium-hidroxid és a hidrogén-klorid összehasonlító jellemzése Javaslat szóbeli A) TÉTEL összeállításához, írásbeli vizsga előtti ismétlésre 
2.4.5. Szappangyártás 
2.4.6. Klóretán reakciója tömény és híg nátrium- hidroxid-oldattal 
2.4.7. A nátriumsók kémhatása 
2.4.8. Vízkeménység, vízlágyítás 
2.5 Az elméleti ismeretek elsajátítása után (illetve azzal párhuzamosan) javasolt gyakorló feladatok: elemzések, számolások FÉMEK ÉS VEGYÜLETEIK témakörből 
Felhasznált szakirodalom 

22. KÍSÉRLET (elemző)
Kis méretű főzőpohárba konyhasóoldatot öntünk. Két grafitrudat mártunk az oldatokba, amelyeket fémdróttal egy 9 V-os elemhez csatlakoztatunk. A két elektródon gázfejlődést tapasztalunk.
Két szűrőpapír csíkot olyan kálium-jodid-oldatba mártunk, amelyhez előzőleg néhány csepp keményítőoldatot kevertünk. A papírcsíkokat a két elektród fölé tartva az egyik esetben jellegzetes elszíneződést tapasztalunk.
Adja meg, melyik elektród közelében és milyen színváltozást tapasztalunk! Értelmezze a tapasztalatokat! Melyik gázt mutattuk ki a színreakcióval, melyik elektródon fejlődött ez a gáz? Írja fel a lezajlott reakciók egyenleteit!

Az áram hatására elektrolízis indul be.
Az elektrolízis az elektromos egyenáram hatására létrejövő térben szétválasztott redoxi-reakció. Az oldatok elektrolízisekor az oldott anyag ionjai a hidrátburokkal (vízburkukkal) együtt vándorolnak az elektródákra, vagyis az elektródákon legalább kétféle részecske gyűlik össze. Az áramforrás negatív pólusához kötött elektródához a hidratált pozitív ionok (kationok), a pozitív pólushoz kötött elektródához pedig a hidratált negatív ionok (anionok) vándorolnak. Az elektródákra vándorolt kétféle részecske (ion és vízmolekula) közül az semlegesítődik, amelyiknek a leválasztásához kevesebb energiára van szükség. (A leválasztási potenciál a részecske milyenségétől és az elektróda anyagától is függ!)

Tapasztalat
A két elektródon gázfejlődést tapasztalunk: A konyhasó oldatának grafitelektródás elektrolízisekor a katódon a vízmolekula poláris hidrogénje semlegesítődik, vízbontás történik, tehát hidrogéngáz keletkezik. Az anódon viszont az egyszerű klorid ionnak kisebb a leválasztási potenciálja, mint a víznek, ezért az anódon klórgáz képződik.

A grafitelektródán lejátszódó

• katódfolyamat: (fgt. 329. oldal) 2H₂O + 2e^– = H₂ +2OH^–,
• anódfolyamat: 2Cl^– = Cl₂ + 2e^–.

Az oldatban Na⁺-ionok maradnak és OH^- ionok keletkeznek, vagyis miközben – és amennyivel – csökken a nátrium-klorid mólszáma, annyival növekszik a nátrium-hidroxidé, ezzel az oldat lúgos kémhatásúvá alakul! Összevonva a helyileg elkülönült térben zajló reakciót:

2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Cl₂

Megjegyzés: az alkálifémionok vizes oldatukból csak higanyelektródán tudnak leválni!

Megjegyzés
(A szóbeli vizsgán nem szükséges az elmondása, de az írásbeli vizsgán kísérletértelemző és számolási feladatok megoldásához fontos lehet):

1. Vegyük észre és érdemes megjegyezni: a katódon történő vízbontáskor a keletkező és az oldatból távozó hidrogéngáz és az oldatban keletkező hidroxidion anyagmennyiség (mol) aránya H₂:OH^- = 1:2. Tehát ha például a katódon 0,050 mól hidrogén szabadul fel, akkor a katódtérben 0,10 mól hidroxidion képződik.

A hidroxidion koncentrációját c_OH^– akkor tudjuk kiszámolni, ha a megmaradó oldat térfogatát is ismerjük!

2. A töltésmegmaradás törvénye miatt az anódon időegység alatt leadott elektronok mennyisége megegyezik a katódon felvett elektronok mennyiségével. Ezért ha az egész elektrolízist kell jellemezni, vagyis ha az anód- és katódfolyamatot is le kell írni, akkor a töltésmegmaradás elvének is teljesülnie kell!

Két szűrőpapírcsíkot olyan kálium-jodid-oldatba mártunk, amelyhez előzőleg néhány csepp keményítőoldatot kevertünk. A papírcsíkokat a két elektród fölé tartva az egyik esetben jellegzetes elszíneződést tapasztalunk.

Mikor az elektródák fölé olyan szűrőpapírokat helyezünk, amelyeket előtte KI-oldattal és keményítőoldattal is átitattunk, akkor az áramforrás pozitív pólusához kapcsolt elektróda, vagyis az anód terébe tett szűrőpapír KÉK (szürkésfekete) színű lesz. A katódtérben nem változik meg, tehát színtelen marad a kálium-jodidos keményítős papír.

Magyarázat
Az anódon keletkező klórgáz jóddá oxidálja a kálium-jodid jodidionjait, mert a klórnak nagyobb a standardpotenciálja, mint a jódnak. Tudjuk, hogy a nagyobb standardpotenciálú nemfém oxidálni képes a nála kisebb standardpotenciálú nemfém oldatában lévő ionjait:

Cl₂ + 2I^– = 2Cl^– + I₂

A felszabaduló jód nem válik ki az oldatból, az oldatban marad, hiszen a maradék
KI-oldatban jól oldódik. (A KI vizes oldata a jód speciális oldószere, a KI-oldatban oldott jód oldata a barna színű lugol.)

Az anódtér fölé tartott KI-oldattal átitatott szűrőpapír megbarnul a konyhasó-oldat elektrolízisekor keletkező klórgáz hatására

A 22. kísérletben KI-oldaton kívül keményítő-oldattal is átitatjuk a szűrőpapírt, ezért itt nem jelenik meg a barna szín, mert a felszabaduló jód molekulái azonnal beépülnek a szűrőpapíron lévő keményítő hélixébe, azzal másodrendű kötést alakítanak ki, jódkeményítőt képeznek.

A keményítő és a jódmolekulák között kialakuló kötés miatt a jódmolekulák elektronfelhője polarizálódik, a polarizált jódmolekulák fényelnyelése más, mint az apoláris jódmolekuláké, ezért kék színű a jódkeményítő. (Sőt, nagy jódkoncentrációnál akár szürke, vagy fekete színű is lehet!) Tehát az áramforrás pozitív pólusához kötött elektróda, az anódtér fölé tartott KI-val és keményítővel átitatott szűrőpapír kék-szürke színűre változik.