Rozklad vody na vodík a kyslík elektrickým proudem, známý také jako elektrolýza, je důležitým procesem v chemii. Tento proces byl objeven v roce 1800 anglickým chemikem Williamem Nicholsonem a skotským fyzikem Alexandrem Carlosem Rutherfordem. V důsledku elektrolýzy se hmoty vody na elektrodě štěpí na molekuly vodíku (H2) a kyslíku (O2).
Aby bylo možné vypočítat množství uvolněného vodíku při rozkladu vody elektrickým proudem, je nutné znát molekulovou hmotnost vody a množství přeneseného náboje. Molekulová hmotnost vody je asi 18 g / mol. Odpověď na otázku o množství izolovaného vodíku lze získat pomocí Faradayova zákona.
Faradayův zákon stanoví, že množství látky uvolněné nebo vysrážené elektrolýzou je přímo úměrné přenesenému náboji. Voda se rozkládá elektrolýzou na 2 moly vodíku a 1 mol kyslíku. Aby bylo možné určit množství přiděleného vodíku, je tedy nutné rozdělit přenesený náboj na počet nábojů (elementárních nábojů) potřebných k rozkladu 2 molů vody na vodík.
Metoda rozkladu vody elektrickým proudem
Experimentálně bylo zjištěno, že k rozkladu jednoho molu vody je zapotřebí 2 moly elektrolytických částic, které se nazývají iont. Molekula vody obsahuje 2 elektrolytické částice – dva vodíkové ionty a jeden kyslíkový iont. To znamená, že pro rozklad jedné molekuly vody je nutné umístit vodu na elektrolýzu se dvěma anodovými a dvěma katodovými kontakty.
Při rozkladu vody elektrickým proudem se voda dělí na plyny – vodík a kyslík. V poměru objemu těchto plynů se získá stejné množství: 2 objem vodíku a 1 objem kyslíku.
Nyní pojďme vyřešit problém: kolik litrů vodíku se uvolní při rozkladu elektrickým proudem vody o hmotnosti 72 g?
K vyřešení problému používáme chemickou reakční rovnici elektrolýzy vody: 2H2O → 2H2 + O2
Molární hmotnost vodíku (H2) rovná se 2 g / mol, takže molární hmotnost vodíku (N2) rovná se 4 g / mol. Takže dostaneme: 72 g / 4 g/mol = 18 mol.
Podle chemické rovnice se 2 moly vodíku tvoří ze 2 molů vody. 18 mol vody se tak změní na 18 mol vodíku.
Vodík za normálních podmínek zabírá objem 22,4 litru/mol. Proto 18 mol vodíku zabírá objem: 18 mol * 22,4 litru/mol = 403,2 litru.
Při rozkladu elektrickým proudem vody o hmotnosti 72 g se tedy uvolní 403,2 litru vodíku.
Proces elektrolýzy vody
Při přívodu elektrického proudu dochází k oxidaci vodních iontů u anody, což vede k uvolnění kyslíku. Reakce je následující:
2H2O(l) → O2(g) + 4H+(aq) + 4e-
Katoda má obnovené vodní ionty, a proto se uvolňuje vodík. Reakce je následující:
4H+(aq) + 4e- → 2H2(g)
Při elektrolýze vody se tedy vodík uvolňuje na katodě a kyslík na anodě.
Na základě této reakce můžeme vypočítat množství uvolněného vodíku nebo kyslíku, protože známe hmotnost látky, která podléhá elektrolýze.
Poměr mezi hmotností a množstvím látky
Jeden mol látky obsahuje Avogadro počet elementárních částic přibližně 6,022 × 10^23. Toto číslo se měří v jednotkách, jako jsou atomy, molekuly nebo ionty.
Hmotnost látky a množství látky jsou navzájem spojeny molární hmotností, která se měří v g/mol. Molární hmotnost je hmotnost jednoho molu látky.
K výpočtu množství hmoty podle hmotnosti je nutné použít následující vzorec:
množství látky (v molech) = hmotnost látky / molární hmotnost
V tomto úkolu jde o rozklad vody elektrickým proudem. Pokud je známa hmotnost vody, lze pomocí molární hmotnosti vody vypočítat množství látky vody.
| Látka | Molární hmotnost (g/mol) |
|---|---|
| Voda (hìo) | 18,015 g/mol |
V tomto případě je hmotnost vody 72 g. hodnoty vložíme do vzorce:
množství látky (v molech) = 72 g / 18,015 g / mol ◼ 3,995 mol
Při rozkladu elektrickým proudem vody o hmotnosti 72 g se tedy vytvoří přibližně 3 995 mol vodíku.
Výpočet množství přiděleného vodíku
Pro výpočet množství izolovaného vodíku při rozkladu elektrickým proudem vody o hmotnosti 72 g je nutné použít poměr mezi hmotností látky a molekulovou hmotností.
Molekulová hmotnost vody (H2O) je 18 g/mol.
Pro výpočet množství přiděleného vodíku použijeme následující vzorec: hmotnost vody (g) / molekulová hmotnost vody (g/mol) * 2 (množství vodíku v molekule vody).
Množství izolovaného vodíku = 72 g / 18 g/mol * 2 = 8 mol.
Při rozkladu elektrickým proudem vody o hmotnosti 72 g se tedy uvolní 8 mol vodíku.
Odpověď na otázku:
Chcete-li vypočítat množství uvolněného vodíku, musíte znát molekulovou hmotnost vody a znát množství unikajícího elektrického proudu.
Molekulová hmotnost vody (H2O) je 18 g/mol. To znamená, že 18 g vody je obsaženo v jednom molu vody.
Vodík bude izolován elektrolýzou vody podle vzorce:
Molekula vody se rozkládá na dvě molekuly vodíku a jednu molekulu kyslíku.
Hmotnost jedné molekuly vody je:
18 g / 6.02 * 10^23 = 2.99 * 10^-23 g
Počet molekul vody v 72 g vody je:
72 g / 18 g/mol = 4 mol
Proto se počet molekul vody v 72 g vody rovná:
4 mol * 6.02 * 10^23 = 2.41 * 10^24
Protože při rozkladu jedné molekuly vody se vytvoří dvě molekuly vodíku:
2 * 2.41 * 10^24 = 4.82 * 10^24 molekul vodíku
Hmotnost jedné molekuly vodíku je přibližně 2 g/mol.
Hmotnost izolovaného vodíku tedy bude:
4.82 * 10^24 molekul * 2 g / mol = 9.64 * 10^24 g
Odpověď: asi 9.64 * 10^24 g vodíku při rozkladu elektrickým proudem vody o hmotnosti 72 g.