Dwubarwna elektroliza
Teoria
Elektroliza to ogólna nazwa dla wszelkich zmian struktury chemicznej substancji, zachodzących pod wpływem przyłożonego do niej zewnętrznego napięcia elektrycznego. Często pojęcie to zawęża sie dla procesów rozkładu zachodzących pod wpływem przepływu prądu elektrycznego przez elektrolit. Elektrolizie towarzyszyć może szereg dodatkowych zjawisk. Należy tu wspomnieć dysocjację elektrolityczną, transport jonów do elektrod, wtórne przemiany jonów na elektrodach i inne. W sensie technologicznym przez elektrolizę rozumie się wszystkie te procesy łącznie.
Elektroliza zachodzi w układach, w których występują substancje zdolne do rozpadu na jony czyli do jonizacji.
W elektrolizie elektroda naładowana ujemnie jest nazywana katodą, a elektroda naładowana dodatnio anodą. Każda z elektrod przyciąga do siebie przeciwnie naładowane jony. Do katody dążą więc dodatnio naładowane kationy, a do anody ujemnie naładowane aniony. Po dotarciu do elektrod jony przekazują im swój ładunek, a czasami wchodzą też z nimi w reakcję chemiczną, na skutek czego zamieniają się w obojętne elektrycznie związki chemiczne lub pierwiastki.
Elektrolizę wykorzystuje się powszechnie na różne sposoby, między innymi do produkcji aluminium, wytwarzania gazów (np. wodór, tlen i chlor), oraz do galwanizacji. Galwanizacja jest elektrolitycznym pokrywaniem przedmiotów metaliczną powłoką.
Elektrolizę możemy zaprezentować na wiele sposobów. Wybrałem jedną z ciekawszych wizualnie reakcji elektrolitycznych.
Potrzebne materiały
Potrzebujemy:
- Roztwór skrobi - może być przygotowany tak jak tutaj,
- wskaźnik alkacymetryczny - alkoholowy roztwór fenoloftaleiny,
- jodek potasu,
- drobny sprzęt laboratoryjny
Ostrzeżenie: Chociaż występujące w doświadczeniu odczynniki nie są silnymi truciznami to należy zachować środki ostrożności jak zawsze przy pracy z chemikaliami. Autor nie bierze jakiejkolwiek odpowiedzialności za wszelkie mogące powstać szkody. Robisz to na własne ryzyko!
Do otrzymanego roztworu skrobii dodajemy niewielką ilość jodku potasu i mieszamy do rozpuszczenia. Następnie dodajemy parę kropli fenoloftaleiny. Najlepiej byłoby gdyby roztwór był przygotowany na wodzie destylowanej, ale jeśli użyjemy wody z kranu to reakcja też zajdzie. Roztwór wtedy może być tylko nieco mętniejszy.
Następnie musimy zestawić prosty elektrolizer. Reakcję można przeprowadzać w pojedynczym naczyniu, ale wtedy istnieje ryzyko wymieszania barw. Dlatego zastosujemy eleltrolizer o dzielonej objętości. Jego schemat można zobaczyć na poniższym rysunku:

Klucz elektrolityczny jest kawałkiem zwiniętej gazy lub chusteczki higienicznej. Należy nasączyć go roztworem. Klucz umożliwi przepływ prądu elektrycznego między naczyniami. Elektrody są wykonane z nieizolowanego drutu miedzianego. Dla zwiększenia powierzchni można je zwinąć w spiralę. Gotowy do elektrolizy układ:
Roztwory są nieco zmętniałe w efekcie zastosowania niedestylowanej wody.
Magia!
Do elektrod podłączamy stały prąd elektryczny o niskim napięciu, np. 5V. Prawie natychmiast roztwory w probówkach zaczynają się zabarwiać: wokół katody na różowo, zaś wokół anody na niebiesko. Po paru minutach barwy są wyraźnie widoczne.
Wyjaśnienie
W roztworze cząsteczki jodku potasu (KI) dysocjują na odpowiednie jony według poniższego równania:

W efekcie w roztworze obecne są jednododatnie kationy potasowe i jednoujemne (w uproszczeniu) aniony jodkowe.
Po przyłożeniu do elektrod napięcia jony na zasadzie oddziaływania elektrostatycznego będą podążać do odpowiednich elektrod: kationy do elektrody ujemnej, a aniony do dodatniej. Na katodzie będzie dochodziło do rozkładu wody: uwolniony wodór uleci z układu, w roztworze powstanie nadmiar reszt wodorotlenkowych OH-.
Nadmiar reszt wodorotlenkowych zmienia odczyn roztworu na silnie zasadowy. Obecna w roztworze fenoloftaleina jest czułym wskaźnikiem na zasady, w których obecności barwi się na malinowy kolor. To ona jest odpowiedzialna za zmianę barwy roztworu w pierwszej probówce.
Aniony jodkowe wędrują ku elektrodzie obdarzonej ładunkiem dodatnim. Tam oddają elektrony ulegając zobojętnieniu do atomów jodu:

Jod wiąże się z obecną w roztworze skrobią dając niebieskie zabarwienie.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Literatura dodatkowa:
- Carmo M., Fritz D., Mergel J., Stolten D., A comprehensive review on PEM water electrolysis, International Journal of Hydrogen Energy, 2013, vol. 38, Iss. 12, str. 4901–4934
- Laidler K.J., The world of physical chemistry, Oxford University Press, 1995, str. 219–220
- Tilley R.J.D., Understanding solids: the science of materials, John Wiley and Sons, 2004, str. 281
Marek Ples