Elektrolyse van water op kleine schaal & knalgasbereiding

Datum: oktober 2004

Principe:

Elektrolyse van water om knalgas en watersof en zuurstof te maken.

Materiaal:

  • Plastic pasteurpipetjes (dikke steel)
  • Plastic pasteurpipetje (dunne steel)
  • Petrischaaltje
  • Methylrood (indikator)
  • Natriumsulfaat (Na2SO4)
  • IJzerdraad (probeer ook een paar rechte stukken te krijgen).
  • Batterij 9V
  • Water
  • Aansteker
  • Klein elastiekje
  • Batterijclip met kabels
  • Tangetje
  • Koperdraad
  • Grafietstaafje (potloodvulling) 

Uitvoering:

  • Knip de steel van de plastic pipetjes met dikke steel af maar laat ongeveer 1 cm zitten.
  • Maak met ijzerdraad een statiefje zodat je het stukje pipet makkelijk in het petrischaaltje kunt plaatsen.
  • Maak een tweede statiefje voor twee van deze kopjes.

Experiment 1: Knalgas bereiding.
  • Knip twee stukken ijzerdraad van gelijke lengte af. Steek deze door de afgeknipte kop van een pasteurpipet.
  • Gebruik het elastiekje om ervoor te zorgen dat de staafjes elkaar niet raken (een alternatief is om de staafje dusdanig door de kop te duwen dat ze er boven in gaan en er naast het steeltje uitkomen zoals in de schets hierboven is weergegeven). 
  • Vul het petrischaaltje met water en voeg enkele korrels methyloranje en enkele korrels natriumsulfaat toe. Meng goed.
  • Vul het kopje met water uit het petrischaaltje mbv de pasteurpipet met de dunne steel.
  • Plaats nu de kop in het petrischaaltje met de opening in het water. 
  • Gebruik het statiefje om de opstelling te stabiliseren.
  • Zet de batterijclip op de batterij en sluit de draden aan op de ijzerstaafjes.
  • Observeer.
  • Als je voldoende gas hebt geproduceerd maak dan de draden los.
  • Haal de pipetpunt uit het water.
  • Ontsteek de aansteker.
  • Duw voorzichtig het resterende water uit de pipetpunt.
  • Duw daarna een beetje van het gas in de punt in de vlam (zorg ervoor dat het plastic niet in de vlam komt en ga er niet dicht met je neus bovenop zitten).


Experiment 2: Elektrolyse.
  • Knip wederom twee stukken ijzerdraad van gelijke lengte af. 
  • Steek deze nu echter elk door een aparte afgeknipte kop van een pasteurpipet.
  • Bouw de opstelling nu op zoals in nevenstaande foto is aangegeven.
  • Voer dezelfde handelingen uit.
  • Alleen de handelingen met de aansteker zijn niet nodig.

Resultaten:

Experiment 1:

Start Tussenstand 1
Tussenstand 2 Einde
Indien je goed kijkt kun je soms lokaal een rode kleur zien ontstaat. 

Experiment 2:  

Start Tussenstand

We zien welliswaar een duidelijke H2 vorming maar met de O2 vorming en de kleurverandering wil het niet echt lukken. De eerste gedachte was om het met een verse elektrode te proberen.

Ook dat wilde niet echt lukken in termen van O2 gas productie. We kunnen nu echter wel een duidelijker roodkleuring waarnemen een teken dat er zuur gevormd wordt.
Proberen we het nu opnieuw met een koper anode.

Wederom wil het met de O2 productie niet erg lukken. We zien echter weer een duidelijke roodkleuring.
We proberen het nogmaals, maar nu met een grafietanode.

We kunnen nu wel duidelijke gasbelvorming en roodkleuring aan de anode waarnemen.

Proberen we het nu met twee dunne (1 mm) grafiet elektrodes.

We zien wederom dat er gas gevormd wordt aan de anode maar verhoudingsgewijs nog altijd te weinig.

Discussie en conclusie:

Elektrolyse is een proces waarbij een chemische reactie wordt uitgevoerd door een elektrische stroom. Bij de elektrolyse van water wordt water geoxideerd aan de anode (negatief) en gereduceerd aan de kathode (positief) volgens de volgende reactie.
4H2O  +  4e-  -->  4OH-  +  2H2  

2H2O  -->  O +  4H+  +  4e- 
kathode

anode

netto reactie:  6H2O  -->  4OH-  +  4H+  +  2H2  +  O2
hetgeen vereenvoudigd kan worden tot:  2H2O  -->  2H2  +  O2

In het eerste experiment vormen we dus een mengsel van zuurstof en waterstof. Een dergelijk mengsel noemen we knalgas. Waar deze naam op gebaseerd is wordt gevoeglijk gedemonstreerd door ons testje met de aansteker waar we een duidelijk plof hoorden op het moment dat we het gas lieten ontbranden.

Als je alleen maar kraanwater gebruikt kan het ca. 1 uur duren voor je voldoende gas hebt gevormd. Toevoegen van enkele korrels natriumsulfaat verbeterd de geleidbaarheid van de oplossing en versneld het proces. Dan duurt het nog maar 10 minuten om een "kopje" knalgas te produceren.

We zien echter ook dat er een bruin poeder gevormd wordt. De verklaring hiervoor is dat de H+ ionen en het zuurstof dat tijdens de reactie gevormd wordt een beetje met het ijzer van de draad reageren. In feite vindt hier corrosie plaats en vormt zich dus ijzeroxide (roest).

Het elektrolyse experiment loopt niet volgens verwachting. Er worden wel waterstof belletjes gevormd maar de zuurstofbelletjes zijn niet waarneembaar. Slechts in het experiment waarbij we grafiet als elektrode gebruiken kunnen we een duidelijke gasontwikkeling van zuurstof waarnemen. De verhouding klopt echter nog niet (H2:O2 = 2:1). Een goede verklaring waar ik me 100% zeker bij voel heb ik niet. Ik kan alleen speculeren.

De meest waarschijnlijke verklaring is dat in het geval van de ijzer en koper elektrodes er aan de anode een reactie plaatsvindt waarbij het elektrodemateriaal zelf bij betrokken is plaatsvindt en dus geen zuurstof gevormd wordt. Vervangen we alleen de anode door een grafietelektrode dan zien we wel dat er gas gevormd wordt aan de anode. Alleen de verhouding klopt niet. Misschien wordt het elektrode oppervlak aan de Fe-kathode echter snel groter (ruwer) waardoor meer gas geproduceerd kan worden. Daarom heb ik het experiment herhaald met twee identiek grafiet elektrodes hetgeen echter hetzelfde resultaat oplevert. Misschien is het zo dat een deel van de zuurstof eerst in het water oplost. Met deze relatief kleine hoeveelheden zou het je resultaat be´nvloeden.

Idealiter zou ik het experiment nogmaals herhalen maar dan nu met platina elektrodes. Deze heb ik echter niet in mijn bezit.

Al het waargenome zal wel verklaarbaar zijn, maar daarvoor zal wat dieper in de boeken gedoken moeten worden.

Opmerkingen:

  • Om een betere geleidbaarheid te verkrijgen kan men enkele korrels zout toevoegen.

  • I.p.v. methylrood kan men ook broomthymolblauw als indicator gebruiken.

  • Een van de redenen die het gebruik van deze pipetjes en een dergelijke opstelling zo interessant maakt is dat je snel en makkelijk de omstandigheden kunt wijzigen (in dit geval een ander anodemateraiaal proberen). Dit maakt een dergelijk systeem erg geschikt voor screening experimenten.

Literatuur:

  • Per-Odd Eggen & Lise Kvittingen; 'A Small-Scale and Low-Cost Apparatus for the Electrolysis of Water'; Journal of Chemical Education; 81 (9); September 2004; p 1337,1338.  
  • R. Brent; "Eenvoudige Scheikundeproeven"; Zuid-Ned.Uitg.; 1980; ISBN 902430010X; p. 25.
  • H.L.Heys; "Scheikunde Thuis"; Thieme; 4de druk; ISBN 9003915407; p. 247-249.
  • Virginia L. Mullin; "Chemistry Experiments for Children"; Dover; (1961); ISBN 0486220311; p. 34-36.
  • Steven W. Moje; "Paper Clip Science"; Sterling; 1996; ISBN 0806943866; p. 59,60.
  • Dr.J.Reiding; Drs.P.W.Franken,Drs.M.A.W.Kabel-van den Brand; Chemie Overal 5V; 1992; ISBN 9011010639; blz 200,201.
  • M.M. Huisman; 'zelf doen: Waaruit bestaat water?'; DJO; 1973 5; blz. 8,9.
  • Ruud Baars; 'Batterij-scheikunde'; DJO; 1979 10; blz. 309.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Achtergrondinformatie:

De basis van de elektrolyse is dat een paar inerte elektrodes vastgezet worden tegenover elkaar in een opstelling die ontworpen is om het H2 en O2 dat geproduceerd wordt op te vangen. De elektrodes worden dan met een batterij verbonden of met een andere spanningsbron die gelijkstroom kan leveren.
Een dergelijk apparaat is vaak een zgn Hoffman elektrolyse apparaat.

Water zelf is een slechte geleider. Daarom voegt men een elektrolyt toe die ionen levert zodat er een stroom door de oplossing kan lopen en er dus een gesloten stroomkring gevormd wordt. Kraanwater zelf geleidt wel omdat er al ionen inzitten (kalk). Als men een elektrolyt toevoegt moet dit uiteraard oplosbaar zijn in water. Een belangrijke voorwaarde is echter dat de ionen die toegevoegd worden moeilijker te oxideren zijn dan water.
2 H2O + 2 e- ----> H2 + 2 OH-     Eored = -0.83 V
2 H2O----> O2 + 4 H+ + 4 e-     Eoox = -1.23 V
Ionen die moeilijker te reduceren zijn dan water zijn bv: Li+, Rb+, K+, Cs+, Ba2+, Sr2+, Ca2+, Na+, en Mg2+. Hiervan vormen de Na+ en K+ de meest waarschijnlijke kandidaten aangezien ze vaak goedkope makkelijk oplosbare zouten vormen.

Het SO42- ion is het meest geschikte anion aangezien het een anion is dat zeer moeilijk te oxideren is. De oxidatiepotentiaal van het sulfaat ion naar het peroxydisulfaat ion is -2.05 V.

2 SO42- ----> S2O82- + 2 e-     Eoox = -2.05 V

Als een waterige oplossing van Na2SO4 or K2SO4 geelektrolyseerd wordt in een Hoffman apparaat verzameld zich H2 gas aan een elektrode en O2 gas aan de ander.

Waarom voegen we nu broomthymolblauw als indikator toe? Broomthymolblauw wordt geel in zure oplossingen (pH < 6) en blauw in basische oplossingen (pH > 7.6). Volgens de vergelijkingen die we voor de halfreakties hebben opgesteld wordt de indicator geel bij de anode en blauw bij de kathode.
Kathode (-):     2 H2O + 2 e- ----> H2 + 2 OH-
Anode (+):     2 H2O + 2 e- ----> H2 + 2 OH-
Anode (+):     2 H2O ----> O2 + 4 H+ + 4 e-


17-01-2017