7.2 Электролиз

7.2.  Электролиз

Самопроизвольные окислительно-восстановительные реакции дают возможность создания гальванических элементов, в которых вырабатывается электрическая энергия. Если же реакция не самопроизвольна, то ее осуществление возможно при помощи электрической энергии. Подобные процессы осуществляют в электролизерах и называются они реакциями электролиза.

Как видно на рисунке ниже, электролизер состоит из двух электродов, погруженных в расплав соли или ее водный раствор. Источник электрического тока передает электроны в один из электродов и удаляет их с другого. При отдаче электронов электрод заряжается положительно, а при получении электронов – отрицательно.

Электролизер

При электролизе расплава NaCl на отрицательном электроде, происходит присоединение электронов ионом натрия Na⁺ и его восстановление. При этом вблизи электрода концентрация ионов Na⁺ уменьшается и, вследствие этого, к электроду перемещается дополнительное количество ионов Na⁺. Аналогично происходит миграция ионов Cl^— к положительному электроду, где в результате отдачи электронов протекает процесс окисления. Таким образом, на электродах идет накопление продуктов окисления и восстановления.

Как и в гальваническом элементе, процесс восстановления протекает на катоде, а процесс окисления – на аноде.

При электролизе расплава NaCl протекают следующие реакции:

Анод	2Cl— -2e— → Cl20
Катод	2Na+ + 2e— → 2Na0
	2Na+ + 2Cl— → 2Na0 + Cl20

В промышленности таким образом получают натрий, используя электролизер Даунса, представленный на рисунке ниже.

электролизер Даунса

Сложнее протекает электролиз водных растворов электролитов.

Так, например, при электролизе водного раствора хлорида натрия, происходят иные процессы, нежели при электролизе его расплава. На катоде происходит восстановление воды, а не натрия; на аноде происходит окисление хлорид-ионов:

Анод	2Cl— -2e— → Cl20
Катод	2H2O + 2e— → H20 +2OH—
	2H2O + 2Cl— → H20 + Cl20

Таким образом, получить натрий путем электролиза водного раствора его соли не удастся: на катоде выделяется водород, а на аноде хлор.

При электролизе водных растворов солей окислительно-восстановительные процессы, протекающие на катоде и аноде зависят от природы катионов металлов и характера аниона соли.

Процесс на катоде

Предсказать результат восстановительного процесса на катоде можно с помощью таблицы стандартных электродных потенциалов металлов:

·         Катионы металлов, имеющие большую величину стандартного потенциала и расположенные в ряду после водорода полностью восстанавливаются на катоде и выделяются в виде металлов: Cu²⁺, Hg₂²⁺, Ag⁺, Hg²⁺, Pt²⁺ до Pt⁴⁺

·         Катионы металлов, имеющие малую величину стандартного потенциала не восстанавливаются на катоде, вместо этого происходит восстановление воды: от Li⁺, Na⁺ … до Al³⁺ включительно.

·         Катионы металлов, имеющие среднюю величину стандартного потенциала будут восстанавливаться на катоде вместе с молекулами воды: от Mn²⁺, Zn²⁺ … до H

Если имеется смесь катионов, то легче всего на катоде будут восстанавливаться катионы металла с наиболее положительным потенциалом, например, из смеси Cu²⁺, Ag⁺, Zn²⁺ сначала восстановится Ag⁺ (E = +0,79 В), затем Cu²⁺ (E = +0,337 В) и только потом Zn²⁺ (E = +0,76 В).

Процесс на аноде

Какие процессы будут протекать на аноде зависит от материала анода и самого электролита. Нерастворимые аноды в процессе электролиза не окисляются, тогда как растворимые аноды разрушаются и в виде ионов переходят в раствор.

Рассмотрим процессы, происходящие на инертном (нерастворимом) аноде:

• При электролизе бескислородных кислот и их солей (исключение HF и фториды) на аноде окисляются их анионы.

2Cl^— -2e^— = Cl₂

• При электролизе кислородсодержащих кислот и их солей c максимальной степенью окисления на аноде происходит окисление воды, в связи с тем, что потенциал окисления воды меньше, чем для таких анионов.

2H₂O -4e^— = O₂ + 4H⁺

• При электролизе кислородсодержащих кислот и их солей c промежуточной степенью окисления на аноде происходит окисление анионов кислот

SO₃^2- + H₂O -2e^— = SO₄^2- + 2H⁺

Ниже представлены наиболее типичные случаи электролиза с химической точки зрения

Водный раствор соли малоактивного металла и бескислородной кислоты с инертным анодом	CuBr2 + H2O = Cu + Br2 + H2O K: Cu2+ + 2e— = Cu A: 2Br— -2e— = Br2
Водный раствор соли активного металла и кислородсодержащей кислоты с инертным анодом	K2SO4 + 2H2O = K2SO4 + 2H2 + O2 K: 2H2O +2e— = H2 + 2OH— A: 2H2O -4e— = O2 + 4H+ Т.е. происходит разложение воды
Водный раствор соли активного металла и бескислородной кислоты с инертным анодом	KI + H2O = 2KOH + H2 + I2 K: 2H2O +2e— = H2 + 2OH— A: 2I— -2e— = I2
Водный раствор соли малоактивного металла с анодом из того же металла	CuSO4 K: Cu2+ + 2e— = Cu A: Cu — 2e— = Cu2+

Количественные аспекты электролиза

Связь между количеством вещества, выделившегося при электролизе и количеством прошедшего через него электричества отражена в законах Фарадея.

I закон Фарадея Массы веществ (m), выделившихся на катоде или аноде (или образовавшиеся в катодном и анодном пространстве), пропорциональны количеству прошедшего через раствор или расплав электричества (Q):

m=kQ

где k – коэффициент пропорциональности или электрохимический эквивалент, численно равный массе вещества, которое выделяется при прохождении 1 кулона электричества.

II закон Фарадея Равные количества электричества в процессе электролиза выделяют эквивалентные количества различных веществ. Т.е. чтобы выделился один химический эквивалент любого соединения необходимо приложить одинаковое количество электричества, которое равно 96484,56 Кл/моль. Это величина называется постоянной Фарадея.

m = ЭIt/F = ЭIt/96484,56, где

m – масса вещества,

Э – электрохимический эквивалент,

I – сила тока,

t – время электролиза.

Законы Фарадея имеют большое значение при проведении расчетов, связанных с электролизом.

УПРАЖНЕНИЯ

1.

_________________________________________________________________

2.

_________________________________________________________________

3.

_________________________________________________________________

4.

_________________________________________________________________

5. Электролиз 400 г 20 %-ого раствора поваренной соли был остановлен, когда на катоде выделилось 11,2 л (н.у.) газа. Степень разложения исходной соли (в %) составляет:

1) 73 2) 54,8 3) 36,8 4) 18

Решение:

Составляем уравнение реакции электролиза:

2NaCl + 2H₂O→H₂↑ +Cl₂↑ +2NaOH

m(NaCl)=400∙0,2=80 г соли было в растворе.

ν(H₂)=11,2/22,4=0,5 моль ν(NaCl)=0,5∙2=1 моль

m(NaCl)= 1∙58,5=58,5 г соли было разложено во время электролиза.

Степень разложения соли 58,5/80=0,73 или 73%.

Ответ: 73% соли разложилось.

_________________________________________________________________

ЗАДАНИЯ  ДЛЯ  САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. Провели электролиз 200 г 10 %-ого раствора сульфата хрома (III) до полного расходования соли (на катоде выделяется металл). Масса (в граммах) израсходованной воды составляет:

1) 0,92 2) 1,38 3) 2,76 4) 5,52

2. Установите соответствие между формулой соли и уравнением процесса, протекающего на аноде при электролизе её водного раствора.

ФОРМУЛА СОЛИ А) KCl Б) AlBr3 В) CuSO4 Г) AgNO3

УРАВНЕНИЕ АНОДНОГО ПРОЦЕССА 1) 2H2O – 4e → O2 + 4H+ 2) 2H2O + 2e → H2 + 2OH- 3) 2Cl- -2e → Cl20 4) 2Br- - 2e → Br20 5) 2SO42- -2e → S2O82- 6) 2NO3- -2e → 2NO2 + O2

3. Установите соответствие между формулой соли и продуктом, образующимся на инертном аноде при электролизе её водного раствора.

ФОРМУЛА СОЛИ А) RbSO4 Б) CH3COOK В) BaBr2 Г) CuSO4

ПРОДУКТ, ОБРАЗУЮЩИЙСЯ НА АНОДЕ 1) метан 2) сернистый газ 3) кислород 4) водород 5) бром 6) этан и углекислый газ

4. Составить схему электролиза раствора соли нитрата алюминия (Al(NO₃)₃).

5. Будет ли растворяться при электролизе анод: из железа, графита, платины, меди.

6. Напишите уравнения электролиза водных растворов йодида калия, нитрата кальция с инертными электродами.

7. Напишите уравнения электролиза расплава и водного раствора хлорида бария. Чем отличаются эти процессы.

8. Составьте уравнения электролиза водных растворов следующих солей (электроды графитовые):

9. Составьте уравнения электролиза водных растворов следующих веществ (анод нерастворимый):

10. В каких случаях при электролизе на катоде выделяется водород? Приведите примеры с уравнениями реакций.

ВИДЕО ОПЫТ

1.     Щёлочь – один из продуктов электролиза в водном растворе:
а)  KCI	б) CuSO4
в) FeCI2	г)  AgNO3
2.     При электролизе водного раствора нитрата калия на аноде выделяется:
а)  О2	б) NO2
в) N2	г)  Н2
3.     Водород образуется при электролизе водного раствора:
а) CaCI2	б) CuSO4
в) Hg(NO3)2	г)  AgNO3
4.      Реакция возможна между:
а)  Ag и K2SO4 (р-р)	б) Zn и KCI(р-р)
в) Mg и SnCI2(р-р)	г) Ag и CuSO4(р-р)
5.      При электролизе раствора иодида натрия у катода окраска лакмуса в растворе:
а) красная	б) синяя
в) фиолетовая	г) жёлтая
6.     При электролизе водного раствора фторида калия на катоде выделяется:
а) водород	б) фтороводород
в) фтор	г) кислород
7.     Электролиз 400 г 20 %-ого раствора поваренной соли был остановлен, когда на катоде выделилось 11,2 л (н.у.) газа. Степень разложения исходной соли (в %) составляет:
а) 73	б) 54,8
в) 36,8	г) 18
8.     Провели электролиз 200 г 10 %-ого раствора сульфата хрома (III) до полного расходования соли (на катоде выделяется металл). Масса (в граммах) израсходованной воды составляет:
а) 0,92	б) 1,38
в)  2,76	г) 5,52
9.     При электролизе расплава NaCl  на катоде выделяется:
а) Na	б) Cl2
в) и Na,  и  Cl2	г) нет верного ответа
10.                        При электролизе расплава  CaCl2 на аноде выделяется:
а) Ca	б) Cl2
в)  как Ca,  так и  Cl2	г) нет верного ответа

Ответы:

1	а
2	а
3	а
4	в
5	б
6	а
7	а
8	в
9	а
10	б