Электролиз

Электролиз

Электролиз  – это окислительно-восстановительная реакция, которая протекает под действием электрического тока на электродах, погруженных в раствор или расплав электролита.

Существует два типа электродов.

Анод – это электрод, на котором происходит окисление.

Катод – это электрод, на котором происходит восстановление.

К аноду стремятся анионы, так как он имеет положительный заряд. К катоду стремятся катионы, потому что он заряжен отрицательно и, согласно законам физики, разноименные заряды притягиваются. В любом электрохимическом процессе присутствуют оба электрода. Прибор, в котором осуществляется электролиз, называется электролизер (рис. 1).

Рис. 1. Электролиз расплава

Процессы, происходящие при электролизе расплавов электролитов

В расплавах электролиты диссоциируют на ионы. Это термическая диссоциация электролитов. При пропускании электрического тока катионы восстанавливаются на катоде, так как принимают от него электроны. Анионы кислотного остатка и гидроксид-анионы окисляются на катоде, так как отдают ему свои электроны.

Пример № 1. Электролиз расплава хлорида натрия

При термической диссоциации хлорида натрия образуются ионы натрия и хлора.

NaCl → Na⁺ + Cl⁻

·                     на катоде выделяется натрий:  2Na⁺ + 2e⁻ → 2Na

·                     на аноде выделяется хлор:  2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂

·                     суммарное ионное уравнение реакции (уравнение катодного процесса помножили на 2)

2Na⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁰ + Cl⁰₂

·                     суммарная реакция:  2NaCl  2Na + Cl₂

Пример № 2. Электролиз расплава гидроксида калия

При диссоциации гидроксида калия образуются ионы калия и гидроксид ионы.

КОН → К⁺ + ОН⁻

·                     на катоде выделяется калий:  К⁺ + 1e⁻ → К

·                     на аноде выделяется кислород и вода:  4ОН⁻ − 4e⁻ → О₂ + 2Н₂О

·                     суммарное ионное уравнение реакции (уравнение катодного процесса помножили на 4)

4К⁺ + 4ОН⁻ → 4К⁰ + О₂ + 2Н₂О

·                     суммарная реакция:  4КОН  4К⁰ + О₂ + 2Н₂О

Пример № 3. Электролиз расплава сульфата натрия

При диссоциации расплава сульфата натрия образуются ионы натрия и сульфат-ионы.

Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SО₄²⁻

·                     на катоде выделяется натрий:  Na⁺ + 1e⁻ → Na

·                     на аноде выделяется кислород и оксид серы (VI):  2SО₄²⁻ − 4e⁻ → 2SО₃ + О₂

·                     суммарное ионное уравнение реакции (уравнение катодного процесса помножили на 4)

4Na⁺ + 2SО₄²⁻ → 4Na ⁰ + 2SО₃ + О₂

·                     суммарная реакция:  2Na₂SO₄  4Na⁰ + 2SО₃ + О₂

Закономерности электролиза расплавов электролита

1.                  При электролизе расплавов щелочей и солей на катоде осаждается металл.

2.                  Анионы бескислородных кислот окисляются на аноде, давая соответствующее соединение, например, хлорид-анионы образуют хлор.

3.                  Анионы кислородсодержащих кислот образуют соответствующий оксид и кислород.

Электролиз раствора

Процессы, происходящие при электролизе растворов электролитов

При электролизе растворов электролитов, кроме интересующих нас соединений есть еще и вода, которая также может подвергаться электролизу. Поэтому, исходя из строения соединения, электролиз может протекать либо с ионами соли, либо с водой.

Процессы, происходящие на катоде

1. Катионы активных металлов, стоящие в ряду напряжений до алюминия, не разряжаются на катоде (см. рис. 2). В этом случае происходит только восстановление воды:  2Н₂О + 2e⁻ → Н₂ + 2ОН⁻

Рис. 2

2. Катионы металлов, расположенных в ряду напряжений от алюминия до водорода, разряжаются в той или иной степени одновременно с молекулами воды. При этом одновременно происходят следующие процессы:

Meⁿ⁺ + ne^- → Me                      2Н₂О + 2e⁻ → Н₂ + 2ОН⁻

3. При наличии в растворе катионов металлов, расположенных в ряду напряжений после водорода, на катоде, прежде всего, происходит восстановление катионов этих металлов:   Meⁿ⁺ + ne^- → Me

Процессы, происходящие на аноде

Различают два типа анодов: инертный и активный. Инертный анод – это анод, материал которого не окисляется в процессе электролиза (Pt). Активный анод – это анод, который окисляется в процессе электролиза. Например, графит.

Электролиз с инертным анодом

В анодном процессе могут принимать участие анионы некоторых бескислородных кислот Cl^-, Br^-, I^-, S^2- и гидроксид-ионы ОН^- (разряжаются только эти анионы), например:

2Br^- − 2е^- → Br₂; 4ОН⁻ − 4e⁻ → О₂ + 2Н₂О (в щелочной среде)

Если в растворе присутствуют анионы F^-, SO^2-₄, NO^-₃, PO₄^3-, CO₃^2- и некоторые другие, то окислению подвергается только вода:  2Н₂О - 4e⁻ → О₂ + 4Н⁺ (в нейтральной и кислой среде)

Электролиз с активным анодом

В случае с активным анодом, число конкурирующих окислительных процессов увеличивается до трех:

·                     Электрохимическое окисление материала анода

·                     Окисление воды с выделением кислорода

·                     Окисление анионов растворенного соединения

Написание таких процессов рассматривается в высшей школе.

Примеры написания уравнений электролиза

Пример № 1. Электролиз раствора хлорида натрия

При диссоциации хлорида натрия образуются ионы натрия и хлора:  NaCl → Na⁺ + Cl⁻

·                     Катодный процесс:  2Н₂О + 2e⁻ → Н₂ + 2ОН⁻

·                     Анодный процесс:  2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂

·                     суммарное ионное уравнение реакции:  2Н₂О + 2Cl⁻ → Н₂ + 2ОН⁻+ Cl⁰₂

·                     суммарная реакция:  2Н₂О +2NaCl  2NaОН + Cl₂↑ + Н₂↑

По этой реакции получается гидроксид натрия и хлор.

Пример № 2. Электролиз раствора сульфата меди (II).

·                     на катоде выделяется медь:  Сu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰

·                     на аноде выделяется кислород:  2Н₂О - 4 e⁻ → О₂ + 4Н⁺

·                     суммарное ионное уравнение реакции (уравнение катодного процесса помножили на 2)

2Сu²⁺ + 2Н₂О → 2Cu⁰+ О₂ + 4Н⁺

·                     суммарная реакция:  2CuSO₄ + 2Н₂О   2Cu⁰ + О₂ + 2H₂SO₄

Пример № 3. Электролиз раствора нитрата калия

При диссоциации нитрата калия образуются ионы калия и нитрат-ионы:  КNO₃ → К⁺ + NО₃⁻

·                     Катодный процесс:  2Н₂О + 2e⁻ → Н₂ + 2ОН⁻

·                     Анодный процесс:  2Н₂О - 4e⁻ → О₂ + 4Н⁺

·                     суммарное ионное уравнение реакции (уравнение катодного процесса помножили на 2)

2Н₂О  О₂↑ + 2Н₂↑

Это один из способов получения водорода.

Электролиз находит применение во многих отраслях промышленности: химической, металлургии, для изготовления деталей требуемой формы, для электрохимического покрытия металлов.

Скачано с www.znanio.ru