|
Elektrolyse is de tak van de elektrochemie die zich bezig houdt met de ontleding van stoffen, dus met moleculen te splitsen in hun atomen. Het zal duidelijk zijn dat dit een heel nuttige toepassing is die in de wetenschap, de chemische analyse en de industrie vaak wordt gebruikt.
|
Het principe van elektrolyse
Ontleding van stoffen
Zoals u weet bestaan alle stoffen uit moleculen. Dit zijn de kleinste bouwstenen van een stof, die nog alle eigenschappen van die stof hebben. Een molecuul keukenzout is dus een uiterst klein korreltje zout, dat nog als dusdanig herkenbaar is. Moleculen bestaan op hun beurt weer uit atomen. Het is de samenstelling van de atomen in een molecuul, die een bepaalde stof zijn specifieke eigenschappen geeft. Een molecuul water bestaat uit twee atomen waterstof en een atoom zuurstof en wordt chemisch dan ook geschreven als H20. Een molecuul keukenzout bestaat uit een atoom natrium en een atoom chloor en gaat door het leven met de formule NaCl.
Ontleden van stoffen met elektrolyse
Dank zij de elektrolyse kunt u chemische stoffen ontleden in hun atomen. Deze atomen kunt u bijvoorbeeld op het oppervlak van een voorwerp laten neerslaan, waardoor dat voorwerp bedekt wordt met een uiterst dun laagje van die atomen. Op die manier kunt u bijvoorbeeld een koperen waterleidingskraan een mooi glanzend uiterlijk geven.
De ontdekking van de elektrolyse
Er zijn verschillende geleerden, zoals Volta, Davy en Faraday, die experimenten op het gebied van elektrolyse hebben uitgevoerd. De Duitse fysicus Hofmann was echter de eerste die serieuze, analytisch verantwoorde experimenten uitvoerde op het gebied van de elektrolyse. Hij bouwde een apparaat, dat 'Voltameter' werd genoemd en er uit zag zoals voorgesteld in onderstaande figuur. Het glazen apparaat bestaat uit drie buizen die met elkaar in verbinding staan. De middelste buis is het voorraadvat, waarlangs de te onderzoeken oplossing wordt aangevoerd. De linker en rechter buizen hebben aan de onderzijde kleine elektroden van platina, waartussen een gelijkspanning wordt aangesloten. Beide buizen zijn voorzien van een kraantje, zodat u de gassen die eventueel geproduceerd worden kunt aftappen.
 |
| De Voltameter van Hofmann, die gebruikt werd voor het experimenteren met het verschijnsel elektrolyse. (© Wikimedia Commons) |
Het experiment van Hofmann is klassiek geworden in de natuurkunde en u kunt het gemakkelijk herhalen. Bij dit experiment vult u de opstelling volledig met gedestilleerd water, waaraan u een paar druppeltjes zuur hebt toegevoerd om er zeker van te zijn dat de vloeistof een bepaalde mate van elektrische geleidbaarheid gaat vertonen. U draait de twee kraantjes open en u giet via de middelste buis zoveel aangezuurd water in het apparaat tot het water uit beide kraantjes spuit. Nadien sluit u de kraantjes. Op deze manier bent u er zeker van dat er alleen water in het apparaat zit en alle gassen verdreven zijn. Vervolgens sluit u een batterij, die in serie staat met een ampèremeter en een regelbare weerstand, aan tussen de twee elektroden. Na het sluiten van de stroomkring merk u op dat er een stroom door het apparaat gaat lopen en dat er aan beide elektroden kleine gasbelletjes ontstaan. Deze belletjes stijgen uiteraard op in de twee buitenste glazen buizen. De twee buitenste buizen worden met gas gevuld, dat het aangezuurde water terug drukt naar de middelste kolom. U merkt op dat in de buis die verbonden is met de negatieve pool van de batterij exact twee keer zo veel gas ontstaat dan in de linker kolom. Na enige tijd is er in beide buizen zoveel gas gevormd dat u dit via de kraantjes kunt aftappen. U ontdekt dat aan de negatieve pool zuiver waterstof gas ontstaat en aan de positieve pool zuiver zuurstof gas en wel in de verhouding 2/1.
Conclusie
U kunt besluiten dat de twee gassen afkomstig moeten zijn van het water in de buis. Water bestaat dus uit zuurstof en waterstof. De vraag blijft natuurlijk over of er nog andere chemische elementen in water zitten. Die vraag kun u, als u veel geduld hebt, met het apparaat van Hofmann beantwoorden. Als u de opstelling dagen lang onder spanning laat staan en u laat de gevormde gassen regelmatig ontsnappen, dan zult u vaststellen dat er steeds minder water achterblijft en dat op het laatst zelfs alle water is omgezet in gas. Blijkbaar zit er twee keer zoveel waterstof dan zuurstof in water, waardoor u kunt besluiten dat de samenstelling van water niets meer of minder dan H2O moet zijn.
De eerste chemische analysator
Het apparaat dat door Hofmann was geconstrueerd baarde nogal wat opzien in de wetenschappelijke wereld van die dagen. Het was immers het eerste apparaat waarmee men via een omweg diep in de materie kon kijken en de voor het menselijke oog absoluut onwaarneembare moleculaire microscopische wereld kon exploreren.
Verklaring van de werking
De verklaring van de experimenten van Hofmann is voor de moderne wetenschap natuurlijk gemakkelijk te geven. Uiteraard berust ook dit verschijnsel volledig op de elektrolytische dissociatie. Een watermolecuul kan blijkbaar gemakkelijk dissociëren in een positief geladen H+ ion en een negatief geladen OH- ion. Zolang de vloeistof niet aan een elektrisch veld wordt onderworpen zwerven deze ionen rond, binden zich tot watermoleculen, dissociëren weer tot ionen, etc. De toestand van water is een beetje te vergelijken met deze van een metaal, waar vrije elektronen van atoom tot atoom kunnen zwerven en een spoor van positieve ionen achterlaten. Zet u het water echter onder spanning, dan zullen de positieve H+ ionen onmiddellijk worden aangetrokken door de negatieve elektrode en de negatieve OH- ionen door de positieve pool, zie onderstaande figuur.
 |
| Een watermolecuul H2O splitst zich in twee ionen, die door de onder spanning staande elektroden worden aangetrokken. (© 2018 Jos Verstraten) |
H+ + e → H
De OH- ionen geven elektronen af aan de positieve plaat, waar een tekort aan elektronen heerst:
OH- - e → OH
OH + OH → H2O + O
O + O → O2
De OH-combinatie is niet stabiel en op zoek naar partners. Uiteindelijk combineren twee OH-groepen zich tot één watermolecuul H2O en één vrij zuurstof atoom O. Ook dit atoom is niet stabiel en verbindt zich bij de eerste de beste mogelijkheid met een ander zuurstof atoom tot een zuurstof molecuul O2.
Toepassingen van elektrolyse
Winnen van metalen uit hun ertsen
In de industrie wordt elektrolyse toegepast om metalen te winnen uit hun mineralen en om die metalen te zuiveren. Een voorbeeld is de productie van aluminium uit bauxiet-erts. Men zet bauxiet eerst om in aluminiumoxide (Bayer-proces) en produceert daaruit door elektrolyse van het gesmolten oxide het zuiver metaal aluminium (Hall-Héroult-proces). Daarvoor is echter helaas heel veel elektrische energie noodzakelijk, zelfs zoveel dat dergelijke fabrieken het liefst in de buurt van een elektriciteitscentrale worden gebouwd.
Brandstofcellen
Ook brandstofcellen werken dank zij het principe van elektrolyse. Waterstof gas wordt naar de anode van de cel geblazen. Aan de kathode wordt de zuurstof uit de lucht toegevoerd. In de cel worden deze twee stoffen door een membraan gescheiden. De waterstof moleculen (H2) worden aan de anode gesplitst in twee H+ ionen en twee elektronen (e-). De elektronen stromen extern via een belasting naar de kathode. Met deze stroom kunt u iets aandrijven, bijvoorbeeld een motor. De waterstof ionen stromen door het elektrolyt naar de kathode. De ionen en de elektronen komen bij de kathode weer samen en reageren daar met de zuurstof (O2). Hierbij ontstaat zuiver water (H2O). De reacties aan de anode en de kathode kunt u als volg samenvatten:
H2 → 2H+ + 2e-
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
 |
| Het principe van een waterstof brandstofcel. (© 2018 Jos Verstraten) |
Galvaniseren is een methode die gebruik maakt van het principe van elektrolyse om een voorwerp te bedekken met een laagje metaal. Door middel van galvaniseren kunt u bijvoorbeeld een ijzeren plaat voorzien van een laagje koper, zink, nikkel of chroom. Omdat deze metalen niet zo snel oxideren (= roesten) aan de lucht wordt de ijzeren plaat hierdoor beschermd tegen roesten. Het verchromen heeft bovendien als gevolg dat het metaal mooi gaat glanzen.
Op dit procédé komen wij in een volgend artikel terug.
|
|
200 stuks 630 V condensatoren, 8 x 25 waarden
