Cara menerangkan elektrolisis larutan akueus

Elektrolisis larutan akueus ialah tempat ramai pelajar SPM kehilangan markah, kerana ada satu tokok tambah: air sendiri membekalkan ion. Selain ion daripada sebatian yang larut, air membekalkan sedikit ion hidrogen (H⁺) dan ion hidroksida (OH⁻). Jadi di setiap elektrod ada pilihan ion mana hendak dinyahcaskan, dan anda perlu memutuskan mana yang menang. Panduan ini, daripada bab redoks dan elektrokimia, menunjukkan cara membuat keputusan itu setiap kali.

Ion tambahan daripada air

Dalam mana-mana larutan akueus ada empat ion untuk dijejaki:

• Daripada sebatian yang larut: satu kation (ion logam, atau H⁺ daripada asid) dan satu anion.
• Daripada air: H⁺ dan OH⁻.

Di katod pertandingan ialah antara kation sebatian dengan H⁺. Di anod pertandingan ialah antara anion sebatian dengan OH⁻. Hanya satu ion dinyahcaskan di setiap elektrod, ini dipanggil penyahcasan terpilih.

Tiga faktor yang memutuskan siapa dinyahcaskan

Tiga faktor menyelesaikan ion mana dinyahcaskan. Pelajari mengikut urutan, kerana yang pertama biasanya menentukannya.

1. Kedudukan dalam siri elektrokimia. Semakin rendah kedudukan ion dalam siri elektrokimia, semakin mudah ia dinyahcaskan. Di katod, ion logam kurang reaktif (seperti Cu²⁺ atau Ag⁺) dinyahcaskan mendahului H⁺, jadi logam terenap. Tetapi bagi ion logam reaktif (seperti K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ atau Al³⁺), H⁺ dinyahcaskan sebaliknya, memberi gas hidrogen. Di anod, OH⁻ biasanya dinyahcaskan mendahului anion lazim seperti sulfat dan nitrat, memberi oksigen.

2. Kepekatan ion. Kepekatan ion yang sangat tinggi boleh mengatasi faktor pertama. Kes klasik ialah larutan halida pekat: walaupun OH⁻ lazimnya dinyahcaskan, larutan klorida pekat membebaskan gas klorin di anod dan bukan oksigen.

3. Jenis elektrod. Dengan elektrod lengai (karbon atau platinum) elektrod tidak mengambil bahagian. Tetapi elektrod reaktif, seperti anod kuprum, larut ke dalam larutan dan bukannya oksigen dibebaskan, asas penyaduran elektrik dan penulenan kuprum.

Contoh penyelesaian 1: asid sulfurik cair

Mengelektrolisiskan asid sulfurik cair pada dasarnya ialah mengelektrolisiskan air. Ion yang hadir ialah H⁺, SO₄²⁻ dan OH⁻.

• Di katod: H⁺ dinyahcaskan. 2H⁺ + 2e⁻ → H₂, gas hidrogen.
• Di anod: OH⁻ dinyahcaskan mendahului sulfat. 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻, gas oksigen.

Hidrogen dan oksigen dibebaskan dalam nisbah 2:1 mengikut isi padu, satu butiran kegemaran pemeriksa.

Contoh penyelesaian 2: natrium klorida pekat (air garam)

Air garam mengandungi Na⁺, Cl⁻, H⁺ dan OH⁻, dan ia menunjukkan dua faktor sekali gus. Ini eksperimen elektrolisis larutan natrium klorida.

• Di katod: natrium terlalu reaktif, jadi H⁺ dinyahcaskan. 2H⁺ + 2e⁻ → H₂, gas hidrogen.
• Di anod: walaupun OH⁻ lebih rendah dalam siri, klorida itu pekat, jadi klorin dinyahcaskan. 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻, gas klorin.

Ion natrium dan hidroksida kekal di belakang, jadi larutan yang tinggal ialah natrium hidroksida.

Contoh penyelesaian 3: kuprum(II) sulfat dengan elektrod karbon

Larutan kuprum(II) sulfat mengandungi Cu²⁺, SO₄²⁻, H⁺ dan OH⁻.

• Di katod: kuprum di bawah hidrogen dalam siri, jadi Cu²⁺ dinyahcaskan. Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, salutan kuprum merah jambu-perang.
• Di anod: OH⁻ dinyahcaskan mendahului sulfat. 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻, gas oksigen.

Apabila kuprum terenap dan larutan kehilangan Cu²⁺, warna birunya pudar. Anda boleh bandingkan tindak balas bagi banyak larutan pada halaman elektrolisis larutan akueus.

Bezanya dengan sebatian lebur

Beza utama daripada elektrolisis sebatian lebur ialah kehadiran air. Dalam sebatian lebur hanya ada satu kation dan satu anion, jadi produk sentiasa boleh diramal dengan mudah. Dalam larutan akueus, air menambah H⁺ dan OH⁻, jadi ada persaingan di setiap elektrod dan anda mesti menggunakan tiga faktor di atas untuk memilih ion mana dinyahcaskan. Itulah sebab larutan akueus lebih mencabar dan lebih kerap menjebak pelajar dalam peperiksaan berbanding kes lebur yang lebih mudah.

Cara menjawab soalan ini

1. Senaraikan keempat-empat ion, daripada sebatian dan daripada air.
2. Di katod, pilih antara ion logam dengan H⁺ menggunakan siri elektrokimia.
3. Di anod, pilih antara anion dengan OH⁻, semak kepekatan bagi halida.
4. Tulis setengah persamaan seimbang bagi setiap elektrod.
5. Catat sebarang perubahan pada larutan, seperti warna yang pudar atau alkali yang tertinggal.

Kesilapan lazim yang perlu dielakkan

• Terlupa bahawa air menambah H⁺ dan OH⁻ pada setiap larutan akueus.
• Menyahcaskan logam reaktif seperti natrium di katod dan bukannya hidrogen.
• Mengabaikan kepekatan dan memberi oksigen di tempat halida pekat memberi halogen.
• Meninggalkan elektron daripada setengah persamaan atau tidak menyeimbangkannya.

Penyahcasan terpilih ialah satu idea yang benar-benar rumit dalam topik ini, dan ia terus jelas sebaik sahaja seseorang membimbing anda melalui beberapa larutan. Guru satu-ke-satu dalam talian kami melakukan tepat itu, kelas bahasa Inggeris dari RM50 sejam, dengan percubaan satu jam berbayar. Lihat halaman cara ia berjalan jika anda mahu elektrolisis dilatih terhadap soalan tahun lepas.