Natrium en dichloor uit keukenzout, theoretisch bekeken

Wanneer je ooit de reactie tussen natriummetaal en water hebt gezien, weet je dat die vrij explosief is. De elektrolytische bereiding van natrium uit keukenzout zal dus nooit lukken in aanwezigheid van water. Dit geldt trouwens voor de bereiding van elke sterke reductoren en ook oxidator. Om Na te bereiden dien je te werken met keukenzout in de gesmolten toestand d.i. smeltelektrolyse.

Inhoud

• Het element Na
• Normpotentialen E°
• Galvanische cel
• Positieve normpotentiaal
• Negatieve normpotentiaal
• Normpotentiaal van het redoxkoppel Na⁺/Na
• Elektrolyse
• Elektrolyse van een smelt
• Elektrolyse van water
• Smeltpuntsverlaging

Het element Na

Natrium is een alkalimetaal. Het heeft slechts 1 elektron op zijn buitenste schil en wil deze graag kwijt om alzo de stabiele octetstructuur te bereiken. Dit verklaart het sterk reducerend vermogen van natrium.

Normpotentialen E°

Een normpotentiaal geeft aan hoe sterk een oxidator of een reductor is.

De normpotentialen, terug te vinden in tabellenboeken, werden bepaald door elk redoxkoppel te koppelen met het referentie redoxkoppel (2H⁺/H₂) in een galvanische cel.

Galvanische cel

Een galvanische cel is een chemische stroombron. De elektrische stroom wordt opgewekt door een redoxreactie. De twee deelreacties worden ondergebracht in twee gescheiden compartimenten. De spanning gemeten tussen de elektroden van beide compartimenten noemt men de elektromotorische kracht (EMK) van de cel. Aan het referentie redoxkoppel werd bij normomstandigheden een E◦-waarde toegekend van 0,00V.

Normpotentiaal bepalen
Uit de spanning over het galvanisch element kan dus de normpotentiaal van het andere redoxkoppel worden bepaald.
U = E°_{oxiderend systeem} – E°_{reducerend systeem}

Positieve normpotentiaal

Indien het [ARTIKEL=200721]oxiderend vermogen[/ARTIEL] van de oxidator groter is dan het oxiderend vermogen van H⁺, dan wordt aan de normpotentiaal van het redoxkoppel een positieve waarde toegekend. Hoe groter het oxiderend vermogen van het redoxkoppel, hoe positiever de normpotentiaal is.

Negatieve normpotentiaal

Indien het oxiderend vermogen van de oxidator kleiner is dan H⁺, dan wordt aan de normpotentiaal van het redoxkoppel een negatieve waarde toegekend. Dit wil dus zeggen dat het reducerend vermogen van het redoxkoppel groter is dan het reducerend vermogen van H₂. Hoe kleiner het oxiderend vermogen van het redoxkoppel of hoe groter het reducerend vermogen van het redoxkoppel, hoe negatiever de normpotentiaal is.

Normpotentiaal van het redoxkoppel Na⁺/Na

E°(Na⁺/Na) = -2.710 V

Deze lage normpotentiaal geeft aan dat natrium is een heel sterke reductor is en zijn geconjugeerde oxidator Na⁺ een erg zwakke oxidator.

Elektrolyse

Elektrolyse is een chemische omzetting die kan optreden door een elektrische stroom door een oplossing of smelt van elektrolyten te sturen. Een gelijkstroombron kan de elektrische energie leveren die de chemische reacties veroorzaakt.

Aan de anode, verbonden met de positieve pool van de stroombron gebeurt de oxidatie. Oxidatie is de toename van de oxidatietrap van een atoom in een verbinding. Dit komt neer op een afname van het aantal valentie-elektronen die aan het atoom in de verbinding toegekend worden.

Aan de kathode, verbonden met de negatieve pool van de stroombron gebeurt de reductie. Reductie is de afname van de oxidatietrap van een atoom in een verbinding. Dit betekent dat aan dit atoom meer valentie-elektronen toegekend worden.

Elektrolyse van een smelt

Door elektrolyse van gesmolten keukenzout maakt men op industriële schaal natriummetaal en chloorgas.

• Kathodische reductie: Na+ + e- → Na
• Anodische oxidatie: 2Cl^- → Cl ₂ +2e^-

Globale redoxreactie: 2Na⁺ + 2Cl^- → 2Na + Cl₂

Elektrolyse van water

Smeltelektrolyse is de enige methode om deze bereiding uit te voeren. Bij aanwezigheid van water zal water geëlektrolyseerd worden en niet het keukenzout. Dit kan verklaard worden op basis van de normpotentialen van de betrokken koppels.

• E°(2H⁺ /H₂) = 0 V
• E°(Na⁺ /Na) = -2.710 V

Natrium is een veel sterkere reductor dan H₂. Het is dus veel eenvoudiger om uit water H₂ te vormen dan uit keukenzout Na.

• E° (O₂ /H₂O) = 1.229 V
• E° (Cl₂ /2Cl^-) = 1.358 V

Chloorgas is een sterkere oxidator dan zuurstofgas. Het is dus eenvoudiger om uit water O₂ te vormen dan uit keukenzout Cl₂. Daar hier het verschil tussen beide normpotentialen minder uitgesproken is, zal er bij de elektrolyse van een keukenzout-oplossing toch een beetje chloorgas worden gevormd.

Algemeen kan gesteld worden dat indien een keukenzout-oplossing geëlektrolyseerd wordt, er zo goed als alleen elektrolyse van water zal optreden. Er zal een klein beetje chloorgas worden gevormd maar de vorming van natriummetaal is volledig uitgesloten.

Smeltpuntsverlaging

Het is dus noodzakelijk om een elektrolyse van de smelt te doen. Het smeltpunt van zuiver natriumchloride is 800◦C maar door toevoeging van CaCl₂ kan men een vloeibaar mengsel krijgen bij 600◦C. Door toevoeging van CaCl₂ wordt de productiekost dus verlaagd.

Er is een hoge spanning nodig om natriummetaal te verkrijgen. Om de vorming van calcium te voorkomen mag de spanning echter niet te hoog zijn.

E° (Ca²⁺ /Ca) = -2.868 V
E° (Na⁺ /Na) = -2.710 V

Ca is een net iets sterkere reductor dan Na. Het vraagt dus een iets hogere spanning om Ca²⁺ om te zetten naar Ca dan om Na⁺ om te zetten naar Na. Door de spanning op de juiste waarde te zetten, zal CaCl₂ dus louter optreden als smeltpuntsverlager en zal het niet deelnemen aan het productieproces.