Электролиз

ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРОВ И РАСПЛАВОВ СОЛЕЙ

Электролиз – окислительно – восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании электрического тока через раствор или расплав электролита.

Накатоде источника тока происходит процесс передачи электронов катионам из раствора или расплава, поэтому катод – «восстановитель»; на аноде происходит процесс отдачи электронов анионами, поэтому анод – «окислитель».

Катод (-) – отрицательно заряженный электрод, на нем происходит восстановление катионов металлов и протонов (в кислотах) или молекул воды, т.е. зарядка.

Анод (+) – положительно заряженный электрод, на нем происходит окисление анионов кислотного остатка и гидроксо – групп (в щелочах), т.е. разряжение.

При электролизе раствора соли в реакционной смеси присутствует вода. Поскольку вода может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства, она является «конкурентом» как для катодных, так и для анодных процессов.

Различают электролиз:

1) расплавов и растворов электролитов;

2) с полупроницаемой мембраной и без мембраны – если есть мембрана, то продукты электролиза разделены и между ними нет побочных реакций; если мембраны нет, то продукты электролиза могут прореагировать между собой, образуя побочные продукты;

3)с инертными электродами (графитовые, угольные, платиновые, золотой) – электроды только проводники электронов, они не расходуются; и активными электродами – при электролизе материал анода растворяется (расходуется) и переносится к катоду, на котором восстанавливается (накапливается).

При проведении электролиза в растворе с использованием инертного анода, как правило, конкурирующими являются два окислительных и два восстановительных процесса:

на аноде – окисление анионов и гидроксид – ионов;

на катоде – восстановление катионов и ионов водорода.

При проведении электролиза с использованием активного (расходуемого) анода процесс усложняется и конкурирующими реакциями на электродах являются три окислительных и три восстановительных процесса:

на аноде – окисление анионов и гидроксид – ионов, анодное растворение металла – материала анода;

на катоде – восстановление катиона соли и ионов водорода, восстановление катионов металла, полученных при растворении анода.

При электролизе раствора соли с инертными электродами для выбора наиболее вероятного процесса на аноде и катоде руководствуются следующими правилами:

1. Катодные процесса и продукты:

Продукты, получаемые на катоде, зависят от положения катиона в ряду активности металлов:

Li⁺,Rb⁺,K⁺,Ba²⁺,Sr²⁺,Ca²⁺,Na⁺,Mg²⁺,Al³⁺,Mn²⁺,Zn²⁺,Cr³⁺,Fe²⁺,Cd²⁺,Co²⁺,Ni²⁺,Sn²⁺,Pb²⁺,H⁺,Sb³⁺,Bi³⁺,Cu²⁺,Hg²⁺,Ag⁺,Pd²⁺,Pt²⁺,Au³⁺

2. Анодные процессы и продукты:

3. Электролиз на активных электродах:

Если при электролизе используется растворимый анод и материал анода не инертен, например, анод из железа, цинка, меди или серебра, то учитываются еще и такие процессы

4. Электролиз расплавов (процессы электролиза не зависят от материала электродов и природы ионов):

а) На аноде разряжаются анионы (An^m-,OH^-), превращаясь в нейтральные атомы или молекулы:

An^m- - mē → An⁰;

например: 4OH^- - 4ē → O₂⁰↑ + 2H₂O

б) На катоде разряжаются катионы (Meⁿ⁺,H⁺), превращаясь в нейтральные атомы или молекулы:

Meⁿ⁺ + nē → M⁰;

например: 2H⁺ + 2ē → H₂⁰↑

Примеры процессов электролиза расплавов с инертными электродами:

В расплаве электролита присутствуют только его ионы, поэтому на катоде восстанавливаются катионы электролита, а на аноде окисляются анионы.

1. Электролиз расплава хлорида калия:

Термическая диссоциация KCl → K⁺ + Cl^-

K(-): K⁺ + ē → K⁰

A(+): 2Cl^- - 2ē → Cl₂⁰↑

Суммарное уравнение: 2KCl → 2K⁰ + Cl₂⁰↑

2. Электролиз расплава бромида кальция:

Термическая диссоциация CaBr₂ → Ca²⁺ + 2Br^-

K(-): Ca²⁺ + 2ē → Ca⁰

A(+): 2Br^- - 2ē → Br₂⁰↑

Суммарное уравнение: CaBr₂ → Ca⁰ + Br₂⁰↑

3. Электролиз расплава гидроксида натрия:

Термическая диссоциация NaOH → Na⁺ + OH^-

K(-): Na⁺ + ē → Na⁰

A(+): 4OH^- - 4ē → O₂⁰↑ + 2H₂O

Суммарное уравнение: 4NaOH → 4Na⁰ + O₂⁰↑ + 2H₂O

4. 2H₂O → 2H₂ + O₂

5. 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂

Примеры процессов электролиза растворов электролитов

с инертными электродами:

В отличие от расплавов, в растворе электролита, кроме его ионов, присутствуют и молекулы воды. Поэтому при рассмотрении процессов на электродах необходимо учитывать их участие.

Электролиз раствора соли, образованной активным металлом, стоящим в ряду напряжений до алюминия, и кислотным остатком кислородсодержащей кислоты, сводится к электролизу воды.

1. Электролиз водного раствора сульфата магния:

MgSO₄ – соль, которая образована металлом, стоящим в ряду напряжений до алюминия и кислородсодержащим кислотным остатком.

Уравнение диссоциации: MgSO₄ → Mg²⁺ + SO₄^2-

K (-): 2H₂O + 2ē → H₂⁰↑ + 2OH^-

A (+): 2H₂O – 4ē → O₂⁰↑ + 4H⁺

Суммарное уравнение: 6H₂O → 2H₂⁰↑ + 4OH^- + O₂⁰↑ + 4H⁺

2H₂O → 2H₂⁰+O₂⁰↑

2. Электролиз водного раствора сульфата меди(II):

CuSO₄ – соль, которая образована малоактивным металлом и кислородсодержащим кислотным остатком. В данном случае при электролизе получается металл, кислород, а в анодном пространстве накапливается соответствующая кислота.

Уравнение диссоциации: CuSO₄ → Cu²⁺ + SO₄^2-

K (-): Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰

A (+): 2H₂O – 4ē → O₂⁰↑ + 4H⁺

Суммарное уравнение: 2Cu²⁺ + 2H₂O → 2Cu⁰ + O₂⁰↑ + 4H⁺

2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu⁰↓ + O₂⁰↑ + 2H₂SO₄

3. Электролиз водного раствора йодида бария:

BaJ₂ – соль, которая образована активным металлом и бескислородным кислотным остатком. В данном случае при электролизе образуются водород, галоген, а в катодном пространстве накапливается щелочь.

Уравнение диссоциации: BaJ₂ → Ba²⁺ + 2J^-

K (-): 2H₂O + 2ē → H₂⁰↑ + 2OH^-

A (+): 2J^- - 2ē → J₂⁰↑

Суммарное уравнение: 2H₂O + 2J^- → J₂⁰↑ + 2OH^-

BaJ₂ + 2H₂O → Ba(OH)₂ + H₂⁰↑ + J₂⁰↑

4. Электролиз водного раствора хлорида меди(II):

CuCl₂ – соль, которая образована малоактивным металлом и кислотным остатком бескислородной кислоты. В данном случае образуются металл и галоген.

Уравнение диссоциации: CuCl₂ → Cu²⁺ + 2Cl^-

K (-): Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰

A (+): 2Cl^- - 2ē → Cl₂⁰↑

Суммарное уравнение: Cu²⁺ + 2Cl^- → Cu⁰ + Cl₂⁰↑

CuCl₂ → Cu⁰ + Cl₂⁰↑

5. Электролиз раствора ацетата натрия:

CH₃COONa – соль, которая образована активным металлом и кислотным остатком карбоновой кислоты. При электролизе получает водород и щелочь на катоде и CO₂ и углеводород на аноде.

Уравнение диссоциации: CH₃COONa → CH₃COO^- + Na⁺

K (-): 2H₂O + 2ē → H₂⁰↑ + 2OH^-

A (+): 2CH₃COO^- - 2ē → CH₃CH₃ + 2CO₂↑

Суммарноеуравнение: 2H₂O + 2CH₃COO^- → H₂⁰↑ + 2OH^- + CH₃CH₃ + 2CO₂↑

2CH₃COONa + 2H₂O → 2NaOH + H₂⁰↑ C₂H₆↑ + 2CO₂↑

6. Процесс электролиза нитрата никеля:

Ni(NO₃)₂ – соль, образованная металлом, стоящим в ряду напряжений от Mn до H₂, и кислородсодержащим кислотным остатком. В процессе получаем металл, водород, кислород и кислоту.

Уравнение диссоциации: Ni(NO₃)₂ → Ni²⁺ + 2NO₃^-

K (-): Ni²⁺ + 2ē → Ni⁰

и 2H₂O + 2ē → H₂⁰↑ + 2OH^-

A (+): 2H₂O – 4ē → O₂⁰↑ + 4H⁺

Суммарное уравнение: Ni²⁺ + 2H₂O → Ni⁰ + 2HNO₃ + H₂⁰↑ + O₂⁰↑

Ni(NO₃)₂ + 2H₂O → Ni⁰ + 2HNO₃ + H₂⁰↑ + O₂⁰↑

7. Электролиз раствора серной кислоты:

Уравнение диссоциации: H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄^2-

K(-): 2H⁺ + 2ē → H₂⁰↑

A(+): 2H₂O – 4ē → O₂⁰↑ + 4H⁺

Суммарноеуравнение: 2H₂O + 4H⁺ → 2H₂⁰↑ + 4OH^- + O₂⁰↑ + 4H⁺

2H₂O → 2H₂⁰↑ + O₂⁰↑

8. Электролиз раствора гидроксида натрия:

В данном случае идет только электролиз воды. Аналогично протекает электролиз растворов H₂SO₄,NaNO₃,K₂SO₄ и др.

Уравнение диссоциации: NaOH → Na⁺ + OH^-

K (-): 2H₂O + 2ē → H₂⁰↑ + 2OH^-

A (+): 4OH^- - ē → O₂⁰↑ + 2H₂O

Суммарное уравнение: 4H₂O + 4OH^- → 2H₂⁰↑ + 4OH^- + O₂⁰↑ + 2H₂O

2H₂O → 2H₂⁰↑ + O₂⁰↑

9. Электролиз раствора сульфида аммония:

В данном случае идет электролиз сульфид – аниона на аноде и электролиз воды на катоде. Аналогично протекает электролиз растворов NH₄Cl,NH₄Br и др.

Уравнение диссоциации: (NH₄)₂S → 2NH₄⁺ + S^2-

K (-): 2H₂O + 2ē → H₂⁰↑ + 2OH^-

A (+): S^2- - 2ē → S⁰↓

Суммарное уравнение: 2H₂O + S^2- → H₂⁰↑ + 2OH^- + S⁰↓

(NH₄)₂S + 2H₂O → H₂⁰↑ + S⁰↓ + 2NH₃·H₂O

Примеры процессов электролиза растворов электролитов

с растворимыми электродами:

Растворимый анод при электролизе сам подвергается окислению (растворению):

Электролиз раствора сульфата меди(II) с медным анодом. При электролизе раствора сульфата меди с медным анодом процесс сводится к выделению меди на катоде и постепенному растворению анода, несмотря на природу аниона. Количество сульфата меди в растворе остается неизменным.

Уравнение диссоциации: CuSO₄ → Cu²⁺ + SO₄^2-

K (-): Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰

A (+): Cu⁰ - 2ē → Cu²⁺ (переход ионов меди с анода на катод)

ВЫВОДЫ по записи уравнений реакция электролиза веществ:

1) Если металл стоит в ряду Бекетова правееH₂, на катоде восстанавливается металл.

2) Если металл стоит в ряду Бекетова левееAl (включительно), на катоде восстанавливается водород.

3) Если металл стоит в ряду Бекетова междуAl и H₂ – на катоде параллельно восстанавливается металл и водород.

4. Если электролит содержит анионы кислородсодержащих кислот или F^-, на аноде окисляется вода:

4OH^- - 4ē → 2H₂O + O₂

В остальных случаях на аноде окисляется анион электролита.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/543828-jelektroliz