химия

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:

            _{электрол из}

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^- S^2- 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^-   SO₃^2-   SO₄^2-   CO₃^2-   PO₄^3-) 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.

                                                    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 ↓

                                     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⁺   +  SO₄^2-       

                            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 SO₄^2-    удерживают свои электроны более прочно, чем ионы ОН^- воды

  В растворе находятся  положительные ионы:    Ni²⁺  и   Н⁺      отрицательные ионы:  SO₄^2-  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⁺  +  SO₄^2-    ↔  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↑    

                                                  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

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.

 Вопросы для закрепления материала:

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

 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%?