Лекция
тема: «Электролиз»
Изучив тему,
следует:
знать
сущность процесса электролиза и основные способы его применения
иметь
представление об отличии электролиза расплава от электролиза раствора
уметь
записывать процессы электролиза, происходящие на катоде и аноде в расплаве;
записывать
процессы электролиза, происходящие на катоде и аноде в растворе;
составлять
уравнения реакции электролиза
Сущность
электролиза
С процессом
электролиза познакомимся на примере раствора хлорида меди (II)
CuCI2
Эта соль в
растворе продиссоциирует CuCI2
→ Cu 2+
+ 2CI-
на катион меди Cu
2+ и анион кислотного остатка 2CI-
При пропускании
постоянного электрического тока через раствор, катионы меди Cu
2+ движутся к катоду « - » (катод),
а анионы хлора 2CI-
к аноду « + » (анод)
катионы меди движутся к катоду: Cu
2+ → « - » (катод)
анионы хлора движутся к аноду: 2CI-
→ « + » (анод)
(-)
Катод - отрицательный
электрод с избытком электронов на его поверхности,
ионы меди
Cu
2+ присоединяют электроны с катода: Cu
2+ + 2ē → Cu0
(+) Анод -
положительный заряженный электрод. У анода недостаток электронов,
поэтому
анод втягивает в себя электроны от отрицательно заряженных ионов хлора:
2CI-
- 2ē → CI20
Следовательно,
электролиз – это окислительно - восстановительный процесс
Электролиз
- это окислительно-восстановительные реакции, протекающие на электродах, если
через раствор или расплав электролита пропускать постоянный электрический ток
Отличие
электролиза расплава от электролиза раствора
Электролиз расплавов
При расплавлении соли или щелочи, как и
при растворении, распадаются на ионы
Схема электролиза расплавленного хлорида
натрия: NaCI →Na+
+ CI-
На катоде (-):
Na+
+ 1ē → Na0 2
Восстанавливаются ионы натрия в
нейтральные атомы, то есть образуется металлический натрий.
На аноде (+):
2CI-
- 2ē → CI20
1
Окисляются хлорид - ионы в нейтральную
молекулу хлора.
Уравнение реакции процесса электролиза
хлорида натрия NaCI:
электролиз
2NaCI
→ 2 Na0
+ CI20↑
Схема электролиза расплавленного
гидроксида натрия: NaOH → Na+
+ OH-
Процесс восстановления на катоде (-):
Na+
+ 1ē → Na0 4
окислитель
Восстанавливаются ионы натрия в
нейтральные атомы, то есть образуется металлический натрий.
Процесс окисления
на аноде (+):
OH-
- 1ē → OH0
4OH0
→ 2H2O
+ O2
↑ 1 восстановитель
Окисляются
гидроксид - ионы в нейтральные группа.
Эти группы
неустойчивы, разлагаются с образованием воды и кислорода.
Уравнение реакции
процесса электролиза гидроксида натрия NaОН:
электролиз
4NaOH
→ 4Na0
+ 2H2O
+ O2
↑
Электролиз водных
растворов
При электролизе
водных растворов в реакции могут участвовать ионы водорода и гидроксид - ионы,
которые образуются в результате диссоциации воды: H2O ↔ Н+ + ОН-
В результате этого
у катода накапливаются катионы электролита и ионы Н+,
а у анода -
анионы электролита и ионы ОН-.
Какие
же ионы будут восстанавливаться на катоде и окисляться на аноде?
Процессы,
происходящие на катоде:
1. Катионы
металлов, имеющих малый стандартный электродный потенциал
(Li+ K+ Ca2+ Na+ Mg2+ AI3+включительно),
не восстанавливаются на катоде, а вместо них восстанавливаются молекулы воды.
На катоде выделяется водород из воды
2. Катионы,
стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов от марганца до водорода
(Mn2+
Zn2
Cr3+
Fe2+
Ni2+
Sn2+
Pb2+
H+),
при электролизе растворов восстанавливаются одновременно с молекулами воды
3. Катионы
металлов, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов после водорода
(Cu2+
Hg2+
Ag+),
практически полностью восстанавливаются на катоде
Процессы,
происходящие на аноде:
Характер реакций,
протекающих на аноде, зависит как от присутствия воды, так и от вещества, из
которого сделан анод. Аноды подразделяются на нерастворимые в воде
(изготавливаются из угля, графита, платины, иридия) и растворимые в воде (из
меди, серебра, цинка, никеля и других металлов).
На нерастворимом
аноде в процессе электролиза следует руководствоваться
рядом
разряженности на аноде
1. Анионы
бескислородых кислот и их солей (F-
CI-
Br-
I-
S2-
CN-
и т.п.) удерживают электроны слабее иона ОН- воды, поэтому при
электролизе водных растворов солей бескислородных кислот окисляются анионы
бескислородных кислот.
2. Анионы
кислородсодержащих кислот (NO3-
SO32-
SO42-
CO32-
PO43-)
удерживают свои электроны более прочно, чем ионы ОН-, поэтому при
электролизе водных растворов солей кислородсодержащих кислот окисляется
молекула воды, а анионы соли остаются без изменения.
1.
Первая группа металлов до алюминия
Пример:
а)
Электролиз раствора нитрата кальция
Ca(NO3)2
- соль с кислородcодержащим
кислотным остатком
- электролит диссоциирует на Ca(NO3)2
↔ Ca2+ +
2NO3-
вода диссоциирует
на H2O ↔ Н+ + ОН-
Катионы кальция Ca2+
расположены в ряду стандартных электродных
потенциалов до алюминия, следовательно, на катоде разряжаются ионы
водорода Н+ воды,
а на аноде
разряжаются ионы ОН- , так как ионы NO3-
удерживают свои электроны более прочно, чем ионы ОН- воды
В растворе находятся положительные
ионы: Ca2+ и
Н+ отрицательные ионы: NO3-
и ОН-
Процесс
восстановления на катоде «-» 2H2O
+ 2ē → H20↑
+ 2ОН- 4 ǀ 2
окислитель
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
В катодном пространстве накапливаются:
Са2+ + 2ОН- → Са(ОН)2
Процесс
окисления на аноде «+» 2H2O
- 4ē → O2
↑ + 4Н+ 2 ǀ 1 восстановитель
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
В анодном пространстве накапливаются:
Н+ + NO3-
↔ НNO3
Уравнение электролиза:
выписываются все продукты реакции с
катода, анода и из катодного и анодного пространства
электролиз
Ca(NO3)2 + 3H2O
→ H20↑ + Са(ОН)2
+ O2 ↑ + 2НNO3
Пример:
б) Электролиз раствора иодида кальция CaI2
- соль с бескислородным кислотным остатком
CaI2
- электролит диссоциирует на CaI2
↔ Ca2+
+ 2 I-
вода диссоциирует H2O
↔ Н+ + ОН-
Катионы кальция Ca2+
расположены в ряду стандартных электродных
потенциалов до алюминия, следовательно, на катоде разряжаются ионы
водорода Н+ воды, а на аноде - ионы йода I-
так как они слабее удерживают свои электроны, чем
ионы ОН- воды
Процесс восстановления
на катоде «-» 2H2O
+ 2ē → H20↑
+ 2ОН-
2 ǀ 1 окислитель
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
В катодном пространстве
накапливаются: Са2+ + 2ОН- → Са(ОН)2
Процесс окисления
на аноде «+» 2I-
- 2ē → I2
↓ 2 ǀ 1 восстановитель
В анодном
пространстве накопления молекул нет, так как кислотный остаток
бескислородный и только он окисляется на аноде
Уравнение электролиза:
выписываются все продукты реакции с
катода, анода и из катодного и анодного пространства
электролиз
CaI2 +
2H2O
→ H20↑
+ Са(ОН)2 + I2
↓
2.
Вторая группа металлов от алюминия до
водорода:
Пример:
а) Электролиз раствора сульфата никеля
NiSO4
NiSO4
соль с кислородcодержащим
кислотным остатком
- электролит диссоциирует на NiSO4
↔ Ni2+
+ SO42-
Вода
диссоциирует H2O
↔ Н+ + ОН-
Катионы никеля - Ni2+
расположены в ряду стандартных электродных
потенциалов от марганца до водорода, следовательно, они восстанавливаются
одновременно с ионами водорода Н+ воды, а на аноде
разряжаются ионы ОН- воды, так как ионы SO42-
удерживают свои электроны более прочно, чем ионы ОН-
воды
В растворе находятся
положительные ионы: Ni2+
и
Н+ отрицательные ионы: SO42-
и ОН-
Процесс восстановления
на катоде «-» 2H2O
+ 2ē → H20↑
+ 2ОН-
идут параллельно оба процесса
восстановления Ni2+
+ 2ē → Ni0
; 4
ǀ 1
--------------------------------------------------------------------------------------------------
В катодном пространстве накапливаются:
Ni2+
+ 2ОН- → Ni(ОН)2
Процесс окисления
на аноде «+» 2H2O
- 4ē → O2
↑ + 4Н+ 4
ǀ 1
---------------------------------------------------------------------------------------------------
В анодном пространстве накапливаются:
2Н+ + SO42-
↔ Н2SO4
Уравнение
электролиза:
выписываются все продукты реакции с катода,
анода и из катодного и анодного пространства
электролиз
2NiSO4
+ 4H2O
→ Ni0 +
Ni(ОН)2
+ O2
↑ + H20
↑ + Н2SO4
В растворе идет диссоциация нейтральных
молекул до тех пор, пока все нейтральные молекулы не распадутся на ионы: Ni(ОН)2
+ 2Н2SO4
→ NiSO4
+ 2H2O
Пример:
б)
Электролиз раствора хлорида никеля (II)
NiCI2
NiCI2
- электролит диссоциирует на NiCI2
↔ Ni2+
+ 2CI-
Вода
диссоциирует H2O
↔ Н+ + ОН-
Катионы никеля - Ni2+
расположены в ряду стандартных электродных
потенциалов от марганца до водорода, следовательно, они восстанавливаются
одновременно с ионами водорода Н+ воды, а
на аноде - ионы хлора CI-
так как они слабее удерживают свои электроны, чем
ионы ОН-
воды: В
растворе находятся положительные ионы: Ni2+
и Н+ отрицательные
ионы: CI-
и ОН-
Процесс восстановления
на катоде «-» 2H2O
+ 2ē → H20↑
+ 2ОН-
идут параллельно оба процесса
восстановления Ni2+
+ 2ē → Ni0
4 ǀ 2
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
В растворе у катода: Ni2+
+ 2ОН- → Ni(ОН)2
Процесс окисления
на аноде «+» 2CI-
- 2ē → CI2
↑ 2 ǀ 1
В катодном пространстве
накапливаются Ni
(ОН)2
Таким образом, при электролизе раствора NiCI2
получаем продукты реакции:
электролиз
2NiCI2
+ 4H2O
→ Ni0 +
Ni(ОН)2
+ 2CI2
↑ + H20↑
3.
Третья группа металлов от водорода:
Пример:
Электролиз раствора нитрата ртути (II)
Hg(NO3)2
Hg (NO3)2
↔ Hg2+ + 2 NO3- H2O
↔ Н+ + ОН-
Катионы ртути Hg2+
расположены в ряду стандартных
электродных потенциалов после водорода, следовательно, они полностью
восстанавливаются на катоде, а на аноде разряжаются ионы ОН- воды.
катод «-»
Hg2+
+ 2ē → Hg0
анод «+»
2H2O
- 4ē → O2
↑ + 4Н+; Н+ + NO3-
↔ НNO3
электролиз
Hg (NO3)2
+ 2H2O → Hg0 + O2 ↑
+ 2НNO3
Все
рассмотренные случаи электролиза относятся к нерастворимому аноду, который
изготавливается из угля, графита, платины, иридия.
Если
анод будет растворим (Cu Ag Zn Cd Hg Ni и др.)
при электролизе водного раствора окисляется анод. Например: при электролизе
водный раствор CuCI2 анод будет
медным, то хлорид - ионы не окисляются (растворяется анод):
CuCI2 ↔ Cu2+ + 2CI-
H2O ↔ Н+
+ ОН-
катод
«-»
Cu2+ + 2ē → Cu0
анод
«+»
Cu0 - 2ē → Cu2+
Здесь
происходит переход меди с анода на катод. Количество хлорида меди в растворе
остается неизменным.
Электролиз
с растворимым анодом широко применяется для получения металлов высокой чистоты.
Применение
электролиза
Электролиз применяется при получении
активных металлов (K Na Ca Mg AI),
некоторых активных неметаллов (CI2
F2),
а также сложных веществ (NaOH KOH
KCIO3).
Электролизом пользуются для покрытия металлических предметов никелем, хромом,
цинком, оловом, золотом и т.д.
Продукты
электролиза водных растворов электролитов
Электролиты
|
Продукты электролиза
|
Щелочи,
кислородсодержащие кислоты, соли кислородсодержащих кислот и активных
металлов
(K Na Ca)
|
H20↑ и O2 ↑ так
как разлагается только вода
|
Бескислородные
кислоты и их соли бескислородных кислот и активных металлов
(K Na Ca)
|
H20↑ S
галогены и др.
|
Соли
бескислородных кислот и малоактивных металлов (Cu Hg Ag Pt Au), а
также металлов со средней активностью (Co Ni Cr Sn)
|
Металлы
и галогены, а при большей концентрации ионов Н+
может выделяться H20↑
|
Соли
кислородсодержащих кислот и малоактивных металлов (Cu Hg Ag Pt Au), а
также металлов со средней активностью
(Co Ni Cr Sn)
|
Металл
и O2 ↑, а
при большей концентрации
ионов
Н+ может выделяться H20↑
|
1. Защита металлических изделий от
коррозии электролизом получила название гальваностегией. Защищая от коррозии,
гальванические покрытия придают предметам красивый декоративный вид.
2. Другая отрасль электрохимии названа
гальванопластикой - это получение точных металлических копий с различных
предметов. Эта отрасль открыта русским ученым Б.С. Якоби (1838).
3. Получение химически активных металлов:
щелочных, щелочноземельных, алюминия, лантаноидов и др., а также для очистки
некоторых металлов от примесей.
Самостоятельная
работа №1
Вопросы:
1) В чем отличие
электролиза расплава от электролиза раствора?
2) Почему в
первую очередь на аноде разряжаются бескислородные ионы кислот, а не
кислородсодержащие?
3) Какие металлы в первую очередь
разряжаются на катоде, стоящие в ряду напряжения металлов, до водорода или
после?
4) Какие катионы металлов никогда не
разряжаются в растворе?
5) Где применяется электролиз?
Выполните задания:
1) Составьте схемы электролиза водных
растворов:
а) сульфата меди (II)
б) хлорида магния в) нитрата калия г) серной кислоты д) гидроксида натрия
2) Составьте схемы расплавов:
а) гидроксида калия б) хлорида натрия
Самостоятельная
работа №2 (расчетные задачи)
1. При электролизе
раствора хлорида меди (II) масса катода
увеличилась на 8 г.
Какой газ
выделился, рассчитайте его массу и объём (н.у.)?
2. При электролизе
водного раствора нитрата серебра (I)
выделилось 5, 6 л газа.
Сколько граммов
металла отложилось на катоде?
3. При электролизе
водного раствора хлорида калия образовалось 112 кг гидроксида калия.
Какие газы
выделились и каков их объём (н.у.)?
4*
Определите объём хлора (н.у.), который выделится на аноде при полном
электролизе 200 г 10% раствора хлорида калия.
5*
При электролизе раствора нитрата свинца (II)
на аноде выделилось 11, 2 л газа.
Сколько свинца
получилось за это время, если его выход составляет 80%?
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.