Конспект урока по химии на тему "Окислительно-восстановительные процессы. Электролиз"

ТЕМА 3. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ (10ч)

УРОК 18

Окислительно-восстановительные процессы. Электролиз.

Цель:  Изучение процесса электролиза в контексте подготовке выпускников к ЕГЭ по химии; научить учащихся определять процессы, происходящие на электродах, составлять суммарные уравнения реакции электролиза; углубить знания окислительно-восстановительных процессов, понимания практического значения электролиза в природе и жизни человека; развивать мышление учащихся, научить их делать логические выводы из наблюдений.

Демонстрации: Периодическая система химических элементов, ряд напряжения металлов

Лабораторный опыт:

I. Организационный момент.

II. Актуализация знаний. Карточки (см. папку)

III. Изучение нового материала.

Электролиз – окислительно-восстановительный процесс, проходящий на электродах при пропускании постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита. «Электро-» означает электрический ток, а «-лиз» - разложение. Значит, «электролиз» означает – разложение электрическим током.

Для проведения электролиза необходимо собрать электролитическую ячейку, которая представляют собой систему из контактирующих между собой электродов и электролита (вещество, подвергающееся разложению под действием электрического тока). Электроды подключают к источнику постоянного тока. В ячейке находится два электрода — анод и катод.

Катод К(-) – это отрицательно заряженный электрод, анод А(+) – положительно заряженный электрод. При электролизе электрическая энергия переходит в химическую. На катоде протекает процесс восстановления, т.е. процесс присоединения электронов от катода к частицам. На аноде протекает процесс окисления, т.е. процесс отдачи электронов от частиц к аноду. Так как катод заряжен отрицательно, к нему стремятся положительно заряженные ионы, называемые катионами. К положительно заряженному аноду стремятся отрицательно заряженные ионы, называемые анионами.

Электроды могут быть изготовлены из разных материалом, в зависимости от этого бывают инертными и активными (обычно, это анод):

- инертные (уголь, графит, платина), не претерпевают изменений в ходе электролиза;

- активные (металлические - железо, медь, цинк, серебро и др.), растворяются в результате электролиза.

Электролизу могут подвергаться только электролиты — вещества, проводящие ток. Проводимость тока обусловлена наличием заряженных частиц — катионов и анионов — которые появляются за счет электролитической диссоциации электролитов.

Электролитическая диссоциация – это процесс распада электролита на ионы при растворении его в воде или расплавлении. Электролит надо расплавить или растворить, чтобы заряженные частицы свободно передвигались.

Существует два вида электролиза: электролиз расплавов и электролиз растворов.

Электролиз расплавов.

Пример 1. Электролиз расплава хлорида натрия.

В расплаве хлорид натрия диссоциирует, образуя катионы Na⁺ и анионы хлора Сl‾:

NaCl → Na⁺ + Сl‾

При электролизе расплава хлорида натрия на катоде происходит процесс восстановления катионов натрия, а на аноде – процесс окисления анионов хлора:

Катодная реакция:	К(-)    Na+ + - = Na0	2
Анодная реакция:	А(+)   2Cl‾ − 2- = Cl2	1
Суммарный процесс:	2Na+ + 2Cl‾ = 2Na + Cl2
	или в молекулярном виде: 2NaCl  2Na + Cl2 расплав

Электролиз расплавов солей (чаще всего – хлоридов) используется в промышленности для получения щелочных и щелочноземельных металлов.

Электролиз растворов

Электролиз растворов – более сложный процесс, так как кроме ионов металла и кислотного остатка в растворе присутствуют молекулы воды и ионы Н⁺ и ОН‾, которые также могут участвовать в окислительно-восстановительном процессе при прохождении электрического тока.

Для правильного нахождения продуктов, образующихся на электродах при электролизе водных растворов электролитов, следует руководствоваться следующими основными правилами.

1. На катоде протекает процесс с наиболее высоким значением электродного потенциала (восстанавливается наиболее сильный окислитель).

Процесс на катоде не зависит от материала катода, а зависит только от положения металла в электрохимическом ряду напряжений:

• Если металл расположен в ряду напряжений до алюминия включительно, то на катоде будет выделяться только водород Н₂ вследствие восстановления молекул воды:

2Н₂О + 2^- = Н₂ + 2ОН‾.

• Если катион металла находится в ряду напряжений между алюминием и водородом, то на катоде одновременно восстанавливаются и ионы металла, и молекулы воды.
• Если катион металла находится в ряду напряжений после водорода, то на катоде идет только процесс восстановления катионов металла.

2. На аноде протекает процесс с наиболее низким значением электродного потенциала (окисляется наиболее сильный восстановитель).

Процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аниона:

(1)   Если анод растворимый (железо, медь, цинк, серебро и др.), то независимо от природы аниона всегда идет окисление металла анода: М⁰ – n^- = Mⁿ⁺.

(2)   Если анод нерастворимый, т.е. инертный (уголь, графит, платина, золото), то:

- при электролизе растворов солей бескислородных кислот, кроме фторидов, на аноде идет процесс окисления аниона;

- при электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот и фторидов на аноде выделяется кислород О₂ вследствие окисления молекул воды:

2Н₂О − 4^- = О₂ + 4Н⁺.

Анион при этом не окисляется, оставаясь в растворе.

При электролизе растворов щелочей происходит окисление гидроксид-ионов:

4ОН‾ − 4^- = О₂ + 2Н₂О.

Рассмотренные правила удобно свести в таблицы:

Катодные процессы при электролизе растворов солей

Электрохимический ряд напряжений металлов
Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al	Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb	Н2	Sb Bi Cu Hg Ag Pt Au
Меn+ не восстанавливаются 2Н2О + 2 = Н2 + 2ОН‾	Mn+ + n = М0 2Н2О + 2 = Н2 + 2ОН‾		Mn+ + n = М0

Анодные процессы при электролизе водных растворов

Анод	Кислотный остаток Аm‾
	бескислородный	кислородсодержащий
Нерастворимый (инертный)	Окисление аниона, кроме фторидов Аm‾ − m = A0	В щелочной среде: 4ОН‾ − 4 = О2 + 2Н2О В кислой и нейтральной среде: 2Н2О − 4 = О2 + 4Н+
Растворимый	Окисление металла анода: М0 – n = Mn+

Пример 2. Электролиз водного раствора гидроксида калия на инертных электродах.

Катодная реакция:	Ионы К+ не восстанавливаются! 2Н2О + 2 = Н2 + 2ОН‾	2
Анодная реакция:	4ОН‾ − 4 = О2 + 2Н2О	1
Суммарный процесс:	+  = 2Н2 + + О2 + в молекулярном виде: 2Н2О = 2Н2 + О2

Таким образом, на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород, т.е. процесс электролиза в данном случае сводится к разложению молекул воды.

Пример 3. Электролиз водного раствора сульфата натрия.

Катодная реакция:	2Н2О + 2 = Н2 + 2ОН‾	2
Анодная реакция:	2Н2О − 4 = О2 + 4Н+ анионы SO42− не окисляются!	1
Суммарный процесс:	4Н2О  + 2Н2О  = 2Н2 + 4ОН‾ + О2 + 4Н+  2Н2О = 2Н2 + О2

Таким образом, на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород, т.е. процесс электролиза в данном случае сводится к разложению молекул воды.

Пример 4. Электролиз водного раствора бромида меди (II) на инертных электродах.

Катодная реакция:	Сu2+ + 2 = Сuо	1
Анодная реакция:	2Br‾ − 2 = Br2	1
Суммарный процесс:	Сu2+ + 2Br‾ = Cu + Br2 в молекулярном виде: CuBr2 = Cu + Br2

Таким образом, на катоде выделяется медь, а на аноде – бром.

Применение электролиза. Электролиз находит применение для получения металлов, водорода, галогенов, щелочей, очистки металлов, для нанесения металлических покрытий (гальваностегия), воспроизведения формы предметов (гальванопластика), для получения оксидного покрытия на поверхности различных металлов (Al, Mg, Ti, Ta, Zr, Hf и др.) и сплавов (анодирование).

Задания по теме «Электролиз» представлены в ЕГЭ заданиями повышенного уровня сложности на «установление соответствия между позициями двух множеств».

Приведем пример задания ЕГЭ по теме «Электролиз расплавов и растворов».

Пример. Установите соответствие между формулой соли и продуктами электролиза водного раствора этой соли, которые выделились на инертных электродах:

к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

ФОРМУЛА СОЛИ		ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА
А) Na3PO4 Б) KCl В) CuBr2 Г) Cu(NO3)2		1) H2, O2 2) Сu, O2 3) Cu, Br2 4) H2, Cl2 5) Cu, NO2

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Решение. Фосфат натрия – соль, образованная активным металлом и кислородсодержащей кислотой. Продуктами электролиза этой соли будут водород на катоде и кислород на аноде.

При электролизе водного раствора хлорида калия на катоде будет выделяться водород, а на аноде – хлор.

Бромид меди (II) – соль, образованная металлом, находящимся в электрохимическом ряду напряжений после водорода, поэтому на катоде будет происходить только выделение меди. Бромид-анион – анион бескислородной кислоты, который будет окисляться на аноде с выделением брома.

В состав нитрата меди (II) входит кислородсодержащий анион, который не окисляется на аноде. Вследствие окисления воды на аноде будет выделяться кислород.

Ответ:	А	Б	В	Г
	1	4	3	2

Понимание сущности процессов электролиза и умение составлять уравнения реакций электролиза расплавов или растворов различных веществ необходимо также при решении расчетных задач. Приведем пример такой задачи.

Задача. Раствор пропионата натрия массой 300г подвергли электролизу с инертным анодом до полного разложения соли. Для нейтрализации образовавшейся щелочи потребовалось 46,7мл 14,6%-ного раствора соляной кислоты (плотность 1,07г/мл). Определите массовую долю пропионата натрия в исходном растворе и объем газа, выделившегося на катоде.

Решение. Запишем уравнения реакций в соответствии с условием задачи:

2C2H5COONa + 2H2O = H2 + 2NaOH + C4H10 + 2CO2	(1)
NaOH + HCl = NaCl + H2O	(2)

Вычислим количество вещества хлороводорода, вступившего в реакцию с гидроксидом натрия, образовавшимся в результате электролиза:

n(HCl) =  = 0,2 моль

Из уравнений реакций (1) и (2) следует, что

n(C₂H₅COONa) = n(NaOH) = n(HCl) = 0,2 моль

Определим массу и массовую долю пропионата натрия в исходном растворе:

m(C₂H₅COONa) = 0,2 ∙ 96 = 19,2 г

w(C₂H₅COONa) = 19,2/300 = 0,064, или 6,4%

В результате электролиза на катоде выделяется водород, количество вещества которого и объем равны:

n(Н₂) = n(C₂H₅COONa) =  ∙ 0,2 = 0.1 моль

V(H₂) = 0,1 ∙ 22,4 = 2,24 л

Ответ. w(C₂H₅COONa) = 6,4%; V(H₂) = 2,24 л

Домашнее задание. §19 (стр.158-162), упр.7 (стр.162)

Установите соответствие между формулой соли и продуктом, образующимся на аноде при электролизе с инертными электродами ее водного раствора.
ФОРМУЛА СОЛИ						ПРОДУКТ НА АНОДЕ
А)	Mn(NO3)2					1)	кислород
Б)	CH3COOK					2)	метан
В)	AlBr3					3)	этан, оксид углерода(IV)
Г)	Cr2(SO4)3					4)	oкcид азота(IV)
						5)	галоген
						6)	oкcид серы(IV)
Ответ:		А	Б	В	Г
		1	1	5	1