|
Elektrolyse van Water.
Beschrijving:Ontleding van water in waterstof en zuurstof met behulp van gelijkstroom.
Apparatuur:
-Plastic beker met deksel 100 x 80 mm Ø
-2 Reageerbuisjes 160 x 16 mm Ø
-Maatbeker 500 ml
-Pipet 10 ml
-Grafietelektrode (kathode)
-Platina-elektrode (anode)
-Plastic lijm
-Geïsoleerd koperdraad
-2 Rubber ringetjes 15 mm Ø
-Divers gereedschap
-Regelbare voeding
-Spiritusbrander
Chemicaliën:
Zwavelzuur (1 Molair): H2SO4
Veiligheid:
Voorzichtig omgaan met zwavelzuur. Gebruik een veiligheidsbril. Bij eventueel verdunnen altijd geconcentreerd zwavelzuur in water gieten, nooit omgekeerd!
Voorbereiding:
Preparatie grafietelektrode:
Verwijder de stalen buitenmantel van een (lege) zink-kool batterij. Binnenin bevind zich een zinken bus. Open deze en verwijder de grafietelektrode. (koolstaaf) Schraap voorzichtig met een mes zoveel mogelijk teer van de elektrode. Maak de elektrode goed schoon met water. Teerresten verwijderen met wasbenzine.Elektrolysevat:
Boor op gelijke afstand van het midden en circa 40 mm van elkaar twee gaten in de bodem van de plastic beker. Soldeer zowel aan het koperen dopje van de grafiet- als aan de platina-elektrode een stukje koperdraad. Lijm beide elektroden met plastic lijm vast in de bodem van de beker. Boor of zaag 2 gaten van 17 mm in het deksel van de beker. (zie tekening)
Zwavelzuur oplossing:
Maak een verdunde zwavelzuur oplossing door circa 10 ml 1 molair zwavelzuur in de maatbeker toe te voegen aan 300 ml gedestilleerd water en goed te mengen.
Uitvoering:
Elektrolyse:
Vul het elektrolysevat tot ruim boven de elektroden met de zwavelzuur oplossing. Gebruik het restant om beide reageer-buisjes volledig te vullen, sluit ze af met een vinger en plaats de buisjes, zonder lucht in te sluiten, over de elektroden. Gebruik de rubberringetjes om de buisjes op hoogte te stellen. (zie foto & tekening)Sluit de bedrading aan op de voeding, de platina-elektrode aan de plus (+), de grafietelektrode aan de min (-). Regel de voeding af op circa 5 Volt gelijkstroom. Verwijder de voeding zodra het reageer-buisje waarin zich de grafietelektrode bevindt met waterstofgas is gevuld.
Aantonen waterstof:
Sluit het reageerbuisje dat over de grafietelektrode is geplaatst onder het vloeistofniveau af met een vinger. Haal het uit de vloeistof en droog het, zonder te openen, zo goed mogelijk af met een tissue. Breng het reageerbuisje met de opening naar beneden vlakbij de vlam van een spiritusbrander. Een duidelijk hoorbare heldere 'plof' duidt op waterstof.
Aantonen zuurstof:
Behandel het reageerbuisje dat over de platina-elektrode is geplaatst op dezelfde manier als het buisje met waterstof. Breng alleen ditmaal een gloeiende houtspaander in het buisje. Opvlammen van de houtspaander duidt op zuurstof.
Waarnemingen:
Zodra de voeding is aangesloten ontstaan aan beide elektroden kleine gasbelletjes. Na enige tijd is duidelijk zichtbaar dat aan de kathode (-) twee maal zoveel gas wordt gevormd dan aan de anode. (+)
Uitleg:
De algemene definitie voor elektrolyse luidt: Elektrolyse is de ontleding van een elektrolyt door middel van gelijkstroom. Hierbij vindt, in tegenstelling tot de reacties in een elektrochemische cel, een gedwongen overdracht van elektronen plaats. Met andere woorden, de (redox)reacties verlopen niet spontaan, maar worden geforceerd door een externe gelijkstroombron.
Volgens afspraak is de elektrode waaraan reductie plaatsvindt (elektronen worden opgenomen) de kathode. Hiervoor komt als eerste de sterkste oxidator in aanmerking; dit is de stof die het gemakkelijkst elektronen opneemt. In dit geval de H3O+ afkomstig van de zwavelzuur die door de kathodereactie wordt gereduceerd onder vorming van waterstofgas en water.
De elektrode waaraan oxidatie plaatsvindt (elektronen worden afgestaan) is de anode. Hiervoor komt als eerste de sterkste reductor in aanmerking; dit is de stof die het gemakkelijkst elektronen afstaat. In dit geval het oplosmiddel water wat door de anodereactie wordt geoxideerd onder vorming van zuurstof.
De halfreacties zijn:
Aan de halfreacties is te zien dat de van zwavelzuur afkomstige H3O+ niet wordt verbruikt. Praktisch gezien dient de zwavelzuur alleen om de geleidbaarheid van de oplossing te vergroten.
Optellen van de halfreacties geeft de totale celreactie:
Het is belangrijk om te begrijpen dat bij alle redoxreacties:
-De oxidator elektronen opneemt en daarbij zelf wordt gereduceerd.
-De reductor elektronen afstaat en daarbij zelf wordt geoxideerd.
Opmerkingen:
-Alleen 'ouderwetse' zink-kool batterijen bevatten een elektrode van grafiet. De modernere alkaline batterijen gebruiken een metalen staaf als elektrode.
-Tijdens een eerder uitgevoerd experiment met een anode van grafiet bleef met name de zuurstofproductie achter bij de verwachting. De reden daarvoor is niet geheel duidelijk.
-Bij dit experiment is als anode een stukje platinadraad gebruikt.
-De foto's zijn afkomstig van het eerder uitgevoerde experiment met twee grafietelektroden. Voor de duidelijkheid is de oplossing gekleurd met een blauwe kleurstof. (methyleenblauw)
-Een veilig alternatief voor zwavelzuur is natriumcarbonaat: Na2CO3. (niet getest)
Meer info & links:
Virtual Lab - Elektrolyse cel
Virtual Lab - Elektrolyse reacties
Uitleg over elektrolyse(reacties) op Virtual Lab.
Thuis Experimenteren - Elektrolyse van water
Thuis Experimenteren - Elektrolyse van water (knalgasbereiding)
Thuis Experimenteren - Elektrolyse van water (QX3 microscoop)
Verschillende elektrolyse experimenten op Thuis Experimenteren.