Otrzymywanie wodoru, tlenu i innych pierwiastków

Czysty wodór i tlen można łatwo otrzymać na drodze elektrolitycznego rozkładu wody. Czyste gazy wydzielają się wtedy na odpowiednich elektrodach – wodór na katodzie, na anodzie – tlen, zgodnie z równaniami cząstkowymi (1) – dla wodoru i (2) dla tlenu.

2H3O+ +2e-→ H2↑ + 2H2O (1)

4OH- → O2↑ + 2H2O + 4e- (2)

Techniczny problem w przeprowadzeniu bezpośredniej elektrolizy wody leży jednak w jej niskiej przewodności elektrolitycznej, która wynika z niskiego w warunkach normalnych stężenia jonów H3O+ i OH-­, powstających z autodysocjacji wody (iloczyn jonowy wody = 10-14). Dlatego, aby przeprowadzić elektrolizę wody i uzyskać wodór oraz tlen, jako elektrolitu należy użyć roztworu odpowiedniej soli tak, aby jony powstające z jej dysocjacji przenosiły ładunek, ale nie ulegały reakcjom utleniania i redukcji na elektrodach. Przykładem takiej soli może być siarczan (VI) sodu – Na2SO­4. W przypadku tej soli, zarówno kationy sodowe, jak i aniony siarczanowe nie ulegają reakcjom elektrodowym.

Podobnie do otrzymywania tlenu i wodoru, poprzez elektrolizę wodnych roztworów odpowiednich soli można otrzymać również inne pierwiastki – niemetale, takie jak fluor, chlor, brom i jod, czy metale, takie jak nikiel, cynk, srebro, złoto, miedź.

W celu przeprowadzenia elektrolizy roztworu wybranej soli, trzeba zbudować ogniwo elektrolityczne, składające się w najprostszym przypadku z dwóch elektrod zanurzonych w naczyniu zawierającym roztwór poddawany elektrolizie – elektrolit, połączonych ze źródłem prądu stałego pod odpowiednim napięciem. Od napięcia przyłożonego do elektrod zależy, czy w ogniwie będą biegły reakcje elektrodowe oraz w przypadku bardziej złożonych elektrolitów – które reakcje będą zachodziły, a które nie. To, czy dana reakcja elektrodowa będzie zachodziła czy nie, zależy od wartości potencjału elektrochemicznego, którą oblicza się na podstawie standardowego potencjału dla danej reakcji oraz stężeń odpowiednich jonów, zgodnie z równaniem (3). Aby reakcja przebiegała, do elektrod musi być przyłożone napięcie o wartości wyższej lub równej potencjałowi elektrochemicznemu danego układu.

W elektrolitycznym otrzymywaniu pierwiastków należy pamiętać o dwóch istotnych ograniczeniach: otrzymywany pierwiastek musi łatwo ulegać odpowiedniej reakcji elektrodowej (np. redukcja miedzi z Cu2+ do Cu0 lub utlenianie chloru z jonów Cl- do Cl2), a także nie powinien wchodzić w reakcje uboczne ze środowiskiem, w którym przebiega elektroliza. Przykładem pierwiastka, który może być redukowany na elektrodzie, jednak niemal natychmiastowo wchodzi w reakcję z otoczeniem jest sód, reagujący gwałtownie z wodą.

Dla metali ulegających reakcji z wodą, rozwiązaniem jest elektroliza stopionych soli. W stopionej soli, podobnie jak w jej wodnym roztworze, jony mogą się poruszać i przenosić ładunek elektryczny. Trudnością w takim przypadku może być konieczność podgrzania soli powyżej jej temperatury topnienia. Wymaga to znacznego nakładu energii oraz zastosowania materiałów, które wytrzymają wysoką temperaturę pracy ogniwa. Problem wysokiej temperatury rozwiązuje się poprzez dodawanie do soli tzw. topników – soli o niskiej temperaturze topnienia, np. fluorków glinu czy wapnia, których dodanie powoduje obniżenie temperatury topnienia całej mieszaniny.