Weird Science

Dwubarwna elektroliza

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (5/2022):

Ilustracja

Ples M., Dwu­barwna elek­tro­liza, Che­mia w Szkole, 5 (2022), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 46-48

Elek­tro­lizą nazy­wamy zbiór wszel­kich zmian struk­tury che­micz­nej sub­stan­cji, zacho­dzących pod wpły­wem przy­ło­żo­nego do niej zew­nętrz­nego napięcia elek­trycz­nego. Często pojęcie to zawęża się do pro­ce­sów roz­kładu zacho­dzących pod wpły­wem prze­pływu prądu elek­trycz­nego przez ule­ga­jący dyso­cja­cji elek­tro­lit. Elek­tro­li­zie towa­rzy­szyć może sze­reg dodat­ko­wych zja­wisk. Należy tu wspom­nieć tran­s­port jonów do elek­trod, wtórne prze­miany jonów na elek­tro­dach i inne. W sen­sie tech­no­lo­gicz­nym przez elek­tro­lizę rozu­mie się wszyst­kie te pro­cesy łącz­nie [1].

Elek­tro­liza zacho­dzi więc w ukła­dach, w których występują sub­stan­cje zdolne do roz­padu (dyso­cja­cji) na jony, czyli do joni­za­cji.

W elek­tro­li­zie elek­troda nała­do­wana ujem­nie (na której zacho­dzi reduk­cja) jest nazy­wana katodą, a elek­troda nała­do­wana dodat­nio, na której zacho­dzi utle­nia­nie - 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 [2] [3].

Elek­tro­lizę wyko­rzy­stuje się pow­szech­nie na różne spo­soby, między innymi do pro­duk­cji metali takich jak glin Al, wytwa­rza­nia gazów (np. wodór H2, tlen O2 i chlor Cl2), oraz do gal­wa­ni­za­cji, czyli elek­tro­li­tycz­nego pokry­wa­nia przed­mio­tów meta­liczną pow­łoką.

Zja­wi­ska z dzie­dziny elek­tro­che­mii są często postrze­gane przez ucz­niów jako skom­pli­ko­wane i trudne do przy­swo­je­nia. Oka­zuje się jed­nak, że elek­tro­lizę możemy zapre­zen­to­wać na wiele spo­so­bów. Wybra­łem jedną z cie­kaw­szych wizu­al­nie reak­cji elek­tro­li­tycz­nych.

Doświad­cze­nie

Potrze­bu­jemy jedy­nie kilka łatwych do zdo­by­cia sub­stan­cji:

Skro­bia, czy też mąka ziem­nia­czana to pro­dukt uzy­ski­wany z bulw pędo­wych ziem­nia­ków Sola­num tube­ro­sum. Zawiera około 84% skrobi. Naj­ważn­iej­szym z pozo­sta­łych skład­ni­ków jest woda, której ilość jest zależna od wil­got­no­ści względ­nej powie­trza, w którym jest prze­cho­wy­wana mąka [4]. Skro­bia ziem­nia­czana ma postać syp­kiego, mato­wego proszku o bar­wie czy­sto bia­łej, bez obcych zapa­chów i posma­ków (Fot.1). Sub­stan­cja ta ści­skana w dłoni cha­rak­te­ry­stycz­nie chrzę­ści.

Fot.1 – Skro­bia ziem­nia­czana

Z kolei feno­lo­fta­le­ina jest orga­nicz­nym związ­kiem che­micz­nym, sto­so­wa­nym głów­nie jako wskaźnik pH. W warun­kach nor­mal­nych jest to biała sub­stan­cja kry­sta­liczna. Jej roz­pusz­czal­ność w wodzie jest nie­wielka, lep­sza nato­miast w alko­ho­lach. Feno­lo­fta­le­ina jest wskaźn­i­kiem alka­cy­me­trycz­nym, tzn. zmie­nia formę z bez­barw­nej w śro­do­wi­sku słabo kwa­so­wym lub obo­jęt­nym na mali­no­wo­czer­woną w śro­do­wi­sku umiar­ko­wa­nie zasa­do­wym. Zale­cana jest głów­nie do mia­recz­ko­wa­nia roz­two­rów sła­bych kwa­sów moc­nymi zasa­dami, gor­sze wyniki uzy­ski­wane są dla mia­recz­ko­wa­nia sil­nie roz­cieńczo­nych moc­nych kwa­sów moc­nymi zasa­dami. Zakres pH zmiany bez­barwna-mali­no­wo­czer­wona wynosi 8,3–10,0. W skraj­nych war­to­ściach pH zacho­dzą dodat­kowe zmiany: w roz­two­rach sil­nie kwa­so­wych przy­biera kolor poma­rańczowy lub żółty na sku­tek przej­ścia w kar­bo­ka­tion try­ty­lowy, nato­miast w śro­do­wi­sku sil­nie zasa­do­wym staje się bez­barwna. W lecz­nic­twie feno­lo­fta­le­ina była sto­so­wana nie­kiedy jako śro­dek prze­czysz­cza­jący, ale musimy pamiętać, aby nie­po­trzeb­nie nie wysta­wiać naszego orga­ni­zmu na więk­sze dawki tej sub­stan­cji, ponie­waż może mieć ona dzia­ła­nie szko­dliwe.

Kolejną potrzebną nam sub­stan­cją jest jodek potasu, a więc sól pota­sowa kwasu jodo­wo­do­ro­wego HI. Two­rzy bez­barwne krysz­tały łatwo roz­pusz­czalne w wodzie (Fot.2). W wyniku elek­tro­lizy sto­pio­nego jodku potasu pow­staje jod I i potas K.

Fot.2 – Krysz­tały jodku potasu

Pamiętajmy, że cho­ciaż w tym doświad­cze­niu nie wyko­rzy­stu­jemy żad­nych sil­nie tok­sycz­nych sub­stan­cji, to musimy uwa­żać jak zaw­sze przy pracy z che­mi­ka­liami.

Pierw­szą rze­czą, jaką musimy zro­bić jest przy­go­to­wa­nie roz­tworu skrobi. Sub­stan­cja ta nie roz­pusz­cza się w zim­nej wodzie. Dla­tego naj­ła­twiej jest to osiągnąć doda­jąc do kil­ku­na­stu cm3 zim­nej wody około 0,5 g mąki ziem­nia­cza­nej, a następ­nie dopełn­ia­jąc do objęto­ści 250 cm3 wodą bli­ską wrze­nia i mie­sza­jąc. Po och­ło­dze­niu roz­twór warto jesz­cze roz­cieńczyć 2-5x wodą o tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej. Zarówno ten roz­twór, jak i pozo­stałe sub­stan­cje potrzebne do doświad­cze­nia można zoba­czyć na Fot.3.

Fot.3 – Zestaw sub­stan­cji potrzeb­nych do doświad­cze­nia

Aby otrzy­mać elek­tro­lit, do otrzy­ma­nego roz­tworu skrobi doda­jemy nie­wielką ilość jodku potasu – szczyptę, której wiel­kość należy dobrać eks­pe­ry­men­tal­nie - i mie­szamy do roz­pusz­cze­nia. Następ­nie doda­jemy parę kro­pli 1% eta­no­lo­wego roz­tworu feno­lo­fta­le­iny. Naj­le­piej byłoby, gdyby roz­twór był przy­go­to­wany na wodzie desty­lo­wa­nej, ale jeśli uży­jemy wody z kranu, to efekt reak­cji też będzie widoczny. Roz­twór wtedy może być tylko nieco bar­dziej mętny.

Następ­nie musimy zesta­wić pro­sty elek­tro­li­zer. Reak­cję można prze­pro­wa­dzać w poje­dyn­czym naczy­niu, ale wtedy ist­nieje ryzyko wymie­sza­nia barw. Dla­tego zasto­su­jemy elek­tro­li­zer o dzie­lo­nej objęto­ści, zbu­do­wany ze zwy­kłych pro­bówek. Jego sche­mat można zoba­czyć na Rys.1.

Ilustracja
Rys.1 – Sche­mat zestawu do elek­tro­lizy

Klucz elek­tro­li­tyczny jest frag­men­tem zwi­niętej gazy, ręcz­nika papie­ro­wego lub chu­s­teczki higie­nicz­nej. Należy nasączyć go roz­two­rem i wtedy taki klucz umożl­iwi prze­pływ prądu elek­trycz­nego między naczy­niami. Elek­trody naj­le­piej byłoby wyko­nać z mate­riału bar­dziej obo­jęt­nego che­micz­nie, takiego jak gra­fit lub pla­tyna, ale w toku doświad­czeń oka­zało się, że w opi­sa­nych warun­kach dobrze spra­wują się nawet te wyko­nane z nie­i­zo­lo­wa­nego drutu mie­dzia­nego. Dla zwięk­sze­nia powierzchni reak­cji można je zwi­nąć w spi­ralę. Gotowy do elek­tro­lizy układ przed­sta­wia Fot.4.

Fot.4 – Gotowy układ elek­tro­li­tyczny: katoda - po lewej, anoda - po pra­wej

Czas na elek­tro­lizę!

Do elek­trod pod­łączamy źródło prądu sta­łego o niskim napięciu, np. 4,5V (w sze­reg z elek­tro­li­ze­rem warto włączyć opor­nik elek­tryczny o war­to­ści kilku omów lub choćby minia­tu­rową żarówkę). Pra­wie natych­miast roz­twory w pro­bów­kach zaczy­nają się zabar­wiać: wokół katody na różowo, zaś wokół anody na nie­bie­sko-gra­na­towo. Po paru minu­tach barwy stają się wyraźnie widoczne (Fot.5).

Fot.5 – Zabar­wie­nie roz­two­rów pow­stałe w wyniku elek­tro­lizy

W razie, gdyby roz­twór bar­wił się jedy­nie w bez­po­śred­nim pobliżu elek­trod, warto zamie­szać ciecz przez wstrząśnięcie.

Wyja­śnie­nie

W roz­two­rze cząsteczki jodku potasu dyso­cjują na odpo­wied­nie jony według poniższego rów­na­nia:

KI → K+ + I-

W efek­cie w roz­two­rze obecne są jed­no­do­dat­nie kationy pota­sowe K+ i jed­no­u­jemne (w uprosz­cze­niu, ponie­waż mogą pow­sta­wać też jony wie­lo­jod­kowe) aniony jod­kowe I-.

Po przy­ło­że­niu do elek­trod napięcia jony na zasa­dzie oddzia­ły­wa­nia elek­tro­sta­tycz­nego będą podążać (migro­wać) do odpo­wied­nich elek­trod: kationy do elek­trody ujem­nej, a aniony do dodat­niej.

Jako że stan­dar­dowy poten­cjał reduk­cji potasu jest niższy niż wodoru (-2,9V w odnie­sie­niu do elek­trody wodo­ro­wej), to na kato­dzie będzie docho­dziło do roz­kładu wody, a uwol­niony wodór H2 uleci z układu, w roz­two­rze nato­miast pow­sta­nie nad­miar reszt wodo­ro­tlen­ko­wych OH-, których ładu­nek, dla zacho­wa­nia elek­tro­o­bo­jęt­no­ści całego układu, kom­pen­so­wany jest ubyt­kiem utle­nia­nych do cząste­czek jodu I2 jonów I- na ano­dzie, do której dążą w polu elek­trycz­nym między ealek­tro­dami. Spo­wo­duje to oczy­wi­ście wzrost pH w prze­strzeni kato­do­wej, dzięki czemu feno­lo­fta­le­ina zabarwi się tam na mali­nowy kolor, a pier­wiast­kowy jod zwiąże się (przy udziale jonów jod­ko­wych) z obecną w roz­two­rze skro­bią dając nie­bie­skie zabar­wie­nie.



Lite­ra­tura:

Wszyst­kie foto­gra­fie i rysunki zostały wyko­nane przez autora

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa