Уравнение за електролиза на солна киселина. Електролиза
Електролиза на разтвор
и разтопени соли (2 часа)
Часове от избираемата дисциплина "Електрохимия"
Цели на първия урок:
Първи план на урока
1. Повтаряне на изучените методи за получаване на метали.
2. Обяснение на нов материал.
3. Решаване на задачи от учебника на Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фелдман "Химия-9" (М .: Образование, 2002), стр. 120, № 1, 2.
4. Проверка на усвояването на знанията върху тестови задачи.
5. Доклад за приложението на електролизата.
Цели на първия урок:да научи как да пише схеми за електролиза на разтвори и стопени соли и да прилага получените знания за решаване на изчислителни задачи; продължи формирането на умения за работа с учебник, тестови материали; обсъждат приложението на електролизата в националната икономика.
ХОД НА ПЪРВИЯ УРОК
Повторение на изучени методи получаване на металина примера за получаване на мед от меден (II) оксид.
Записване на уравненията на съответните реакции:
Друг начин за получаване на метали от разтвори и стопилки на техните соли е електрохимичен, или електролиза.
Електролизата е окислително-редукционен процес, който протича върху електродите, когато електрически ток преминава през стопилка или електролитен разтвор..
Електролиза на стопилка от натриев хлорид:
NaCl Na + + Cl – ;
катод (–) (Na +): Na + + д= Na 0,
анод (–) (Cl –): Cl – – д\u003d Cl 0, 2Cl 0 \u003d Cl 2;
2NaCl \u003d 2Na + Cl 2.
Електролиза на разтвор на натриев хлорид:
NaCl Na + + Cl – ,
H 2 O H + + OH-;
катод (–) (Na +; H +): H + + д= H 0 , 2H 0 = H 2
(2H 2 O + 2 д\u003d H 2 + 2OH -),
анод (+) (Cl - ; OH -): Cl - - д\u003d Cl 0, 2Cl 0 \u003d Cl 2;
2NaCl + 2H 2 O \u003d 2NaOH + Cl 2 + H 2.
Електролиза на разтвор на меден (II) нитрат:
Cu(NO 3) 2 Cu 2+ +
H 2 O H + + OH-;
катод (–) (Cu 2+; H +): Cu 2+ + 2 д= Cu 0 ,
анод (+) (OH -): OH - - д=OH0,
4H 0 \u003d O 2 + 2H 2 O;
2Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O \u003d 2Cu + O 2 + 4HNO 3.
Тези три примера показват защо е по-изгодно да се извършва електролиза, отколкото да се извършват други методи за получаване на метали: получават се метали, хидроксиди, киселини, газове.
Написахме схемите за електролиза и сега ще се опитаме да напишем уравненията за електролиза веднага, без да се позоваваме на схемите, а само с помощта на скалата на йонната активност:
Примери за уравнения на електролиза:
2HgSO 4 + 2H 2 O \u003d 2Hg + O 2 + 2H 2 SO 4;
Na 2 SO 4 + 2H 2 O \u003d Na 2 SO 4 + 2H 2 + O 2;
2LiCl + 2H 2 O \u003d 2LiOH + H 2 + Cl 2.
Разрешаване на проблемот учебника на Г. Е. Рудзитис и Ф. Г. Фелдман (9 клас, стр. 120, № 1, 2).
Задача 1.По време на електролизата на разтвор на меден (II) хлорид масата на катода се е увеличила с 8 г. Какъв газ е бил отделен, каква е неговата маса?
Решение
CuCl 2 + H 2 O \u003d Cu + Cl 2 + H 2 O,
(Cu) \u003d 8/64 \u003d 0,125 mol,
(Cu) \u003d (Сl 2) \u003d 0,125 mol,
м(Cl 2) \u003d 0,125 71 \u003d 8,875 g.
Отговор. Газът е хлор с маса 8,875 g.
Задача 2.При електролизата на воден разтвор на сребърен нитрат се отделят 5,6 литра газ. Колко грама метал се отлага върху катода?
Решение
4AgNO 3 + 2H 2 O \u003d 4Ag + O 2 + 4HNO 3,
(O 2) \u003d 5,6 / 22,4 \u003d 0,25 mol,
(Ag) \u003d 4 (O 2) \u003d 4 25 \u003d 1 mol,
м(Ag) \u003d 1 107 \u003d 107 g.
Отговор. 107 г сребро.
Тестване
Опция 1
1. По време на електролизата на разтвор на калиев хидроксид на катода се отделя следното:
а) водород; б) кислород; в) калий.
2. По време на електролизата на разтвор на меден (II) сулфат в разтвор се образува следното:
а) меден(II) хидроксид;
б) сярна киселина;
3. По време на електролизата на разтвор на бариев хлорид на анода се отделя:
а) водород; б) хлор; в) кислород.
4. По време на електролиза на стопилка от алуминиев хлорид на катода се отделя следното:
а) алуминий; б) хлор;
в) електролизата е невъзможна.
5. Електролизата на разтвор на сребърен нитрат протича по следната схема:
а) AgNO 3 + H 2 O Ag + H 2 + HNO 3;
b) AgNO 3 + H 2 O Ag + O 2 + HNO 3;
в) AgNO 3 + H 2 O AgNO 3 + H 2 + O 2.
Вариант 2
1. По време на електролизата на разтвор на натриев хидроксид на анода се отделя следното:
а) натрий; б) кислород; в) водород.
2. По време на електролизата на разтвор на натриев сулфид в разтвор се образува следното:
а) сярноводородна киселина;
б) натриев хидроксид;
3. По време на електролизата на стопилка от живачен(II) хлорид на катода се отделя следното:
а) живак; б) хлор; в) електролизата е невъзможна.
4.
5. Електролизата на разтвор на живачен (II) нитрат протича по следната схема:
а) Hg (NO 3) 2 + H 2 O Hg + H 2 + HNO 3;
b) Hg (NO 3) 2 + H 2 O Hg + O 2 + HNO 3;
в) Hg (NO 3) 2 + H 2 O Hg (NO 3) 2 + H 2 + O 2.
Вариант 3
1. По време на електролизата на разтвор на меден (II) нитрат на катода се отделя:
а) мед; б) кислород; в) водород.
2. По време на електролизата на разтвор на литиев бромид в разтвор се образува следното:
б) бромоводородна киселина;
в) литиев хидроксид.
3. По време на електролизата на стопилка от сребърен хлорид на катода се отделя следното:
а) сребро; б) хлор; в) електролизата е невъзможна.
4. По време на електролизата на разтвор на алуминиев хлорид алуминият се освобождава в:
а) катод; б) анод; в) остава в разтвор.
5. Електролизата на разтвор на бариев бромид протича по следната схема:
а) BaBr 2 + H 2 O Br 2 + H 2 + Ba (OH) 2;
b) BaBr 2 + H 2 O Br 2 + Ba + H 2 O;
в) BaBr 2 + H 2 O Br 2 + O 2 + Ba (OH) 2.
Вариант 4
1. По време на електролизата на разтвор на бариев хидроксид на анода се отделя следното:
а) водород; б) кислород; в) барий.
2. По време на електролизата на разтвор на калиев йодид в разтвор се образува следното:
а) йодоводородна киселина;
б) вода; в) калиев хидроксид.
3. По време на електролизата на стопилка от оловен (II) хлорид на катода се отделя:
а) олово; б) хлор; в) електролизата е невъзможна.
4. По време на електролизата на разтвор на сребърен нитрат на катода се отделя следното:
а) сребро; б) водород; в) кислород.
5. Електролизата на разтвор на натриев сулфид протича по следната схема:
а) Na 2 S + H 2 O S + H 2 + NaOH;
b) Na 2 S + H 2 O H 2 + O 2 + Na 2 S;
в) Na 2 S + H 2 O H 2 + Na 2 S + NaOH.
Отговори
| опция | Въпрос 1 | Въпрос 2 | Въпрос 3 | Въпрос 4 | Въпрос 5 |
| 1 | а | b | b | а | b |
| 2 | b | b | а | а | b |
| 3 | а | в | а | в | а |
| 4 | b | в | а | а | а |
Използването на електролиза в националната икономика
1. За да предпазите металните продукти от корозия, върху тяхната повърхност се нанася тънък слой от друг метал: хром, сребро, злато, никел и др. Понякога, за да не се губят скъпи метали, се произвежда многослойно покритие. Например, външните части на автомобила първо се покриват с тънък слой мед, върху медта се нанася тънък слой никел и върху него се нанася слой хром.
При нанасяне на покрития върху метал чрез електролиза, те се получават равномерни по дебелина и издръжливи. По този начин можете да покриете продукти с всякаква форма. Този клон на приложната електрохимия се нарича галванопластика.
2. В допълнение към защитата от корозия, галваничните покрития придават красив декоративен вид на продуктите.
3. Друг клон на електрохимията, близък по принцип до галванопластиката, се нарича галванопластика. Това е процесът на получаване на точни копия на различни елементи. За да направите това, обектът се покрива с восък и се получава матрица. Всички вдлъбнатини на копирания обект върху матрицата ще бъдат издутини. Повърхността на восъчната матрица е покрита с тънък слой графит, което я прави електропроводима.
Полученият графитен електрод се потапя във вана с разтвор на меден сулфат. Анодът е меден. По време на електролизата медният анод се разтваря и медта се отлага върху графитния катод. Така се получава точно медно копие.
С помощта на електроформоването се изработват клишета за печат, грамофонни плочи, метализират се различни предмети. Галванопластиката е открита от руския учен Б. С. Якоби (1838 г.).
Изработването на матрици включва нанасяне на тънък слой сребро върху пластмасова плоча, за да стане електропроводима. След това върху плочата се нанася електролитно никелово покритие.
Какво трябва да се направи, за да се направи плоча в електролитна вана - анод или катод?
(Относно електронния катод.)
4. Електролизата се използва за получаване на много метали: алкални, алкалоземни, алуминий, лантаниди и др.
5. За да почистите някои метали от примеси, металът с примеси се свързва към анода. Металът се разтваря по време на процеса на електролиза и се утаява върху металния катод, докато примесът остава в разтвор.
6. Електролизата се използва широко за получаване на сложни вещества (алкали, кислородсъдържащи киселини), халогени.
Практическа работа(втори урок)
Цели на урока.Провеждане на електролиза на вода, показване на галванопластика на практика, консолидиране на знанията, получени в първия урок.
Оборудване.На студентските маси: празна батерия, два проводника с клеми, два графитни електрода, чаша, епруветки, триножник с два крака, 3% разтвор на натриев сулфат, спиртна лампа, кибрит, фенерче.
На бюрото на учителя: същото + разтвор на меден сулфат, месингов ключ, медна тръба (парче мед).
Инструктаж на студентите
1. Прикрепете проводниците с клеми към електродите.
2. Поставете електродите в чаша, така че да не се допират.
3. Изсипете електролитния разтвор (натриев сулфат) в чашата.
4. Налейте вода в епруветките и, като ги поставите с главата надолу в чаша с електролит, ги поставете върху графитните електроди един по един, като фиксирате горния ръб на епруветката в крака на статива.
5. След като устройството е монтирано, прикрепете краищата на проводниците към батерията.
6. Наблюдавайте еволюцията на газовите мехурчета: по-малко от тях се отделят на анода, отколкото на катода. След като почти цялата вода в една епруветка бъде изместена от освободения газ, а в другата - наполовина, изключете проводниците от батерията.
7. Запалете спиртната лампа, внимателно извадете епруветката, където водата е почти напълно изместена, и я поднесете към спиртната лампа - ще се чуе характерно пукане на газ.
8. Запалете факла. Отстранете втората епруветка, проверете с тлеещ газ.
Задачи за студенти
1. Скицирайте устройството.
2. Напишете уравнение за електролиза на вода и обяснете защо е необходимо да се извърши електролиза в разтвор на натриев сулфат.
3. Напишете уравнения на реакцията, които отразяват отделянето на газове върху електродите.
Учителски демонстрационен експеримент
(може да се изпълнява от най-добрите ученици в класа
с подходящо оборудване)
1. Свържете кабелните клеми към медната тръба и месинговия ключ.
2. Спуснете епруветката и ключа в чаша с разтвор на меден (II) сулфат.
3. Свържете вторите краища на проводниците към батерията: "минус" на батерията към медната тръба, "плюс" към ключа!
4. Наблюдавайте отделянето на мед върху повърхността на ключа.
5. След като извършите експеримента, първо изключете клемите от батерията, след което извадете ключа от разтвора.
6. Разглобете веригата за електролиза с разтворим електрод:
CuSO 4 \u003d Cu 2+ +
анод (+): Сu 0 - 2 д\u003d Cu 2+,
катод (–): Cu 2+ + 2 д= Сu 0 .
Общото уравнение за електролиза с разтворим анод не може да бъде написано.
Електролизата се извършва в разтвор на меден (II) сулфат, тъй като:
а) необходим е електролитен разтвор, за да протича електрически ток, т.к. водата е слаб електролит;
б) няма да се отделят странични продукти от реакциите, а само мед на катода.
7. За да консолидирате миналото, напишете схема за електролиза на цинков хлорид с въглеродни електроди:
ZnCl 2 \u003d Zn 2+ + 2Cl -,
катод (–): Zn 2+ + 2 д= Zn 0,
2H2O+2 д\u003d H 2 + 2OH -,
анод (+): 2Cl – – 2 д=Cl2.
Общото уравнение на реакцията в този случай не може да бъде написано, т.к не е известно каква част от общото количество електроенергия отива за редукция на вода и каква част - за редукция на цинкови йони.
 |
Схема на демонстрационния експеримент |
Домашна работа
1. Напишете уравнение за електролиза на разтвор, съдържащ смес от меден (II) нитрат и сребърен нитрат с инертни електроди.
2. Напишете уравнението за електролизата на разтвор на натриев хидроксид.
3. За да почистите медна монета, тя трябва да бъде окачена на медна жица, свързана към отрицателния полюс на батерията, и спусната в 2,5% разтвор на NaOH, където трябва да бъде потопен и графитният електрод, свързан към положителния полюс на батерията . Обяснете как една монета става чиста. ( Отговор. Водородните йони се редуцират на катода:
2H + + 2 д\u003d H 2.
Водородът реагира с меден оксид на повърхността на монетата:
CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O.
Този метод е по-добър от почистването с прах, т.к. монетата не се изтрива.)
Когато се разглежда електролизата на водни разтвори, трябва да се има предвид, че в допълнение към електролитните йони във всеки воден разтвор има и йони, които са продукти на дисоциацията на водата H + и OH -.
В електрическо поле водородните йони се движат към катода, а ОН йоните се движат към анода. По този начин, както електролитните катиони, така и водородните катиони могат да бъдат разредени на катода. По същия начин при анода могат да се разреждат както електролитни аниони, така и хидроксидни йони. В допълнение, водните молекули също могат да претърпят електрохимично окисление или редукция.
Кои електрохимични процеси ще протичат на електродите по време на електролиза ще зависят преди всичко от относителните стойности на електродните потенциали на съответните електрохимични системи. От няколкото възможни процеса ще протече този с минимален разход на енергия. Това означава, че окислените форми на електрохимичните системи с най-висок електроден потенциал ще бъдат редуцирани на катода, докато редуцираните форми на системите с най-нисък електроден потенциал ще бъдат окислени на анода. В общия случай на анода по-лесно се окисляват тези атоми, молекули и йони, чиито потенциали са най-ниски при дадени условия, а на катода по-лесно се редуцират тези йони, молекули, атоми, чиито потенциали са най-високи. Нека разгледаме катодните процеси, протичащи по време на електролизата на водни разтвори на соли. Тук е необходимо да се вземе предвид големината на електродния потенциал на процеса на редукция на водородни йони, който зависи от концентрацията на водородни йони. Знаем общото уравнение на потенциала на електрода за водородния електрод (раздел 2.3).
В случай на неутрални разтвори (pH=7), стойността на електродния потенциал на процеса на редукция на водородни йони е
|
φ = –0,059 . 7 = -0,41 V. |
1) по време на електролиза на солеви разтвори, съдържащи метални катиони, чийто електроден потенциал е много по-положителен от –0,41 V, металът ще се редуцира от неутрален разтвор на такъв електролит на катода. Такива метали са в серия от напрежения близо до водорода (започвайки приблизително от калай и след него);
2) по време на електролиза на солни разтвори, съдържащи метални катиони, чийто електроден потенциал е много по-отрицателен от -0,41 V, металът няма да се редуцира на катода, но ще се отдели водород. Такива метали включват алкални, алкалоземни, магнезий, алуминий до приблизително титан;
3) по време на електролиза на солни разтвори, съдържащи метални катиони, чийто електроден потенциал е близо до -0,41 V (метали от средната част на серията - Zn, Cr, Fe, Cd, Ni), след това в зависимост от концентрацията на солевия разтвор и условията на електролиза (плътност на тока, температура, състав на разтвора), е възможна както редукция на метал, така и отделяне на водород; понякога има съвместно отделяне на метал и водород.
Електрохимичното освобождаване на водород от киселинни разтвори възниква поради изхвърлянето на водородни йони:
2H + 2ē → 2H 0
2H 0 = З 2 .
В случай на неутрална или алкална среда, отделянето на водород възниква в резултат на електрохимичната редукция на водата:
HOH + ē → H 0 + ОХ –
з 0 + З 0 = З 2 ,
|
тогава 2HON + 2ē → H 2 + 2OH – |
По този начин естеството на катодния процес по време на електролиза на водни разтвори се определя главно от позицията на съответния метал в серията от стандартни електродни потенциали на металите.
Ако воден разтвор, съдържащ катиони на различни метали, се подложи на електролиза, тогава тяхното освобождаване на катода, като правило, ще продължи в реда на намаляване на алгебричната стойност на електродния потенциал на метала. Например, от смес от катиони Ag +, Cu 2+ и Zn 2+ с достатъчно напрежение на клемите на електролизера, сребърни катиони (φ 0 \u003d +0,8 V), след това мед (φ 0 \u003d +0,34 V ) и накрая, цинк (φ 0 \u003d -0,76 V).
Електрохимичното отделяне на метали от смес от катиони се използва в инженерството и в количествения анализ. Като цяло способността за разреждане (приемане на електрони) за метални йони се определя от позицията на металите в серия от стандартни електродни потенциали. Колкото по-вляво е металът в поредицата от напрежения, толкова по-голям е неговият отрицателен потенциал или по-малко положителен потенциал, толкова по-трудно е за неговите йони да се разреждат. И така, от метални йони в поредица от напрежения най-лесно се разреждат тривалентни златни йони (при най-ниските напрежения на електрическия ток), след това сребърни йони и т.н. Най-трудно (при най-високото напрежение на електрическия ток) е изхвърлянето на калиеви йони. Но стойността на потенциала на метала, както е известно, варира в зависимост от концентрацията на неговите йони в разтвора; по същия начин, лекотата на изхвърляне на йони от всеки метал варира в зависимост от тяхната концентрация: увеличаването на концентрацията улеснява изхвърлянето на йони, намаляването го затруднява. Следователно, по време на електролиза на разтвор, съдържащ йони на няколко метала, може да се окаже, че освобождаването на по-активен метал ще настъпи по-рано от освобождаването на по-малко активен (ако концентрацията на първия метален йон е значителна и второто е много ниско).
Нека разгледаме анодните процеси, протичащи по време на електролизата на водни разтвори на соли. Естеството на реакциите, протичащи на анода, зависи както от наличието на водни молекули, така и от веществото, от което е направен анодът. Трябва да се има предвид, че материалът на анода може да се окисли по време на електролиза. В тази връзка се прави разлика между електролиза с инертен (неразтворим) анод и електролиза с активен (разтворим) анод. Неразтворимите аноди са направени от въглища, графит, платина, иридий; разтворими аноди - от мед, сребро, цинк, кадмий, никел и други метали. На неразтворим анод по време на електролиза се окисляват аниони или водни молекули. По време на електролизата на водни разтвори на безкислородни киселини HI, HBr, HCl, H 2 S и техните соли (с изключение на HF и флуориди), анионите се освобождават в анода и се освобождава съответният халоген. Обърнете внимание, че отделянето на хлор по време на електролизата на HCl и неговите соли противоречи на взаимното положение на системите
2Cl – – 2ē →кл 2 (φ 0 = +1,36 V)
2 з 2 О– 4ē →О 2 + 4 з + (φ 0 = +1,23 V)
в серия от стандартни електродни потенциали. Тази аномалия е свързана със значително пренапрежение на втория от тези два електродни процеса - анодният материал има инхибиторен ефект върху процеса на отделяне на кислород.
По време на електролизата на водни разтвори на соли, съдържащи аниони SO 4 2-, SO 3 2-, NO 3 -, PO 4 3- и др., Както и флуороводород и флуориди, възниква електрохимично окисление на водата. В зависимост от pH на разтвора, този процес протича по различен начин и може да се запише в различни уравнения. В алкална среда уравнението има формата
4OH – – 4ē → 2H 2 О+О 2 , (pH > 7)
и в кисела или неутрална среда имаме
ХОХ– 2ē →О 0 + 2 з + (рН ≤ 7)
2 О 0 = О 2 ,
|
тогава 2H 2 О – 4ē → 4Н + + 20 2 . |
В разглежданите случаи електрохимичното окисляване на водата е енергийно най-изгодният процес. Окисляването на кислородсъдържащите аниони става при много високи потенциали. Например, стандартният потенциал на окисление на SO 4 2- йон - 2ē → S 2 O 8 2- е 2,01 V, което значително надвишава стандартния потенциал на окисление на водата от 1,228 V.
2H 2 O - 4ē → O 2 + 4H + (φ 0 = 1,228 V).
Стандартният йонен окислителен потенциал F - е още по-важен
2F – – 2ē →Е 2 (φ 0 = 2 ,87 AT).
Като цяло, по време на електролизата на водни разтвори на соли, металните и водородните катиони едновременно се приближават до катода на електролизера, като всеки от тях „претендира“, че се редуцира поради електрони, идващи от катода. Как всъщност ще протече редукционният процес на катода? Отговорът може да бъде получен въз основа на редица напрежения на металите. В този случай, колкото по-малка е алгебричната стойност на стандартния електроден потенциал на метала, толкова по-слаби акцептори на електрони са техните катиони и толкова по-трудно е тяхното намаляване на катода. В тази връзка се разграничават три групи катиони според връзката им с електроредукция.
1. Катиони, характеризиращи се с висока активност на изтегляне на електрони (Cu 2+, Hg 2+, Ag+, Au 3+, Pt 2+, Pt 4+). По време на електролизата на солите на тези катиони се получава почти пълна редукция на металните катиони; токов изход 100% или близо до него.
2. Катиони, характеризиращи се със средни стойности на способността за изтегляне на електрони (Mn 2+, Zn 2+, Cr 3+, Fe 2+, Ni 2+, Sn 2+, Pb 2+). По време на електролиза на катода едновременно се редуцират катиони както на металните, така и на водните молекули, което води до намаляване на ефективността на тока на метала.
3. Катиони, показващи ниска способност за изтегляне на електрони (K +, Ca 2+, Mg 2+, Al 3+). В този случай акцепторите на електрони към катода не са катиони от разглежданата група, а водни молекули. В този случай самите катиони остават непроменени във водния разтвор и ефективността на тока се доближава до нула.
Съотношението на различните аниони към електроокислението на анода
Анионите на безкислородните киселини и техните соли (Cl ¯, Br ¯, J ¯, S 2-, CN¯ и т.н.) задържат своите електрони по-слабо от водната молекула. Следователно, по време на електролизата на водни разтвори на съединения, съдържащи тези аниони, последните ще играят ролята на донори на електрони, те ще се окислят и ще прехвърлят своите електрони към външната верига на електролитната клетка.
Анионите на кислородните киселини (NO 3 ¯, SO 4 2-, PO 4 3- и др.) са в състояние да задържат своите електрони по-здраво от водните молекули. В този случай водата се окислява на анода, докато самите аниони остават непроменени.
В случай на разтворим анод, броят на окислителните процеси се увеличава до три:
1) електрохимично окисляване на вода с отделяне на кислород; 2) анионен разряд (т.е. неговото окисление); 3) електрохимично окисляване на анодния метал (анодно разтваряне на метала).
От възможните процеси ще протече този, който е енергийно най-изгоден. Ако анодният метал е разположен в поредица от стандартни потенциали по-рано от двете други електрохимични системи, тогава ще се наблюдава анодно разтваряне на метала. В противен случай ще има отделяне на кислород или анионен разряд. Не е установена близка последователност за отделянето на аниони. Чрез намаляване на способността да отдават електрони, най-често срещаните аниони са подредени както следва: S 2-, J ¯, Br ¯, Cl ¯, OH¯, H 2 O, SO 4 2-, NO 3 ¯, CO 3 2- , PO 4 3- .
Нека разгледаме няколко типични случая на електролиза на водни разтвори.
Електролиза на разтвор на CuCl 2 с неразтворим анод
В поредица от напрежения медта се намира след водорода, така че Cu 2+ ще се разреди на катода и ще се освободи метална мед, а хлоридните йони ще се окислят до молекулярен хлор Cl 2 на анода.
|
катод (-) |
|
|
Cu 2+ + 2ē → Cu 0 |
|
|
2Cl – – 2ē → Кл 2 |
Cu 2+ + 2 кл – → Cu 0 +Cl 2
CuCl 2 → Cu 0 +Cl 2
Изходен ток на метал (95-100%).
Електролиза на разтвор на NaNO 3
Тъй като натрият в поредицата от напрежения е много по-ранен от водорода, водата ще се разреди на катода. При анода водата също ще се изпуска.
|
катод (-) |
|
2 з 2 О+ 2ē →з 2 + 2 о – |
|
2H 2 O–4ē → 4H + + О 2 . |
Така на катода се отделя водород и се създава алкална среда, на анода се отделя кислород и в близост до анода се създава кисела среда. Ако анодното и катодното пространство не са отделени едно от друго, тогава разтворът във всичките си части ще остане електрически неутрален.
|
катод (-) |
|
|
2 з 2 О+ 2ē →з 2 + 2 о – |
|
|
2H 2 O–4ē → 4H + + О 2 . |
6H 2 O → 2H 2 + 4OH – + 4H + + О 2
6H 2 O → 2H 2 + О 2 + 4H 2 О
2 з 2 О → 2 з 2 + О 2
Текущият изход на метала е нула.
Следователно по време на електролизата на разтвора на NaNO 3 ще настъпи електролиза на вода. Ролята на солта NaNO 3 се свежда до увеличаване на електрическата проводимост на разтвора.
Електролиза на разтвор на FeSO 4
Реакции на катода (-) (редукция):
|
а) Fe 2+ + 2ē → Fe 0 |
едновременни реакции |
|
б) 2 з 2 О+ 2ē →з 2 + 2 о – . |
Реакция на анода (+) (окисление):
2H 2 O–4ē → 4H + + О 2 .
Текущата мощност на метала е средна.
Електролиза на разтвор на KJ с неразтворим анод
|
катод (-) |
|
|
2 з 2 О+ 2ē →з 2 + 2 о – |
|
|
2J – – 2ē → J 2 |
2 з 2 О + 2J – → з 2 + 2 о – + Дж 2 .
Крайното уравнение на реакцията за електролиза на разтвор KJ:
2KJ+2H 2 O→H 2 + Дж 2 + 2KOH.
Електролиза на разтвор на CuSO 4 с меден (разтворим) анод.
Стандартният потенциал на медта е +0,337 V, което е много по-високо от -0,41 V; следователно, по време на електролизата на разтвор на CuSO 4 на катода се получава разреждане на Cu 2+ йони и се освобождава метална мед. При анода протича обратният процес - окисляването на метала, тъй като медният потенциал е много по-малък от окислителния потенциал на водата (+1,228 V) и още повече - окислителния потенциал на SO 4 2- йона ( +2,01 V). Следователно в този случай електролизата се свежда до разтваряне на метала (медта) на анода и неговото отделяне на катода.
Схема на електролиза на разтвор на меден сулфат:
|
катод (-) |
|
Cu 2+ + 2ē → Cu 0 |
|
Cu 0 – 2ē → Cu 2+ . |
Този процес се използва за електрическо рафиниране на метали (така нареченото електролитно рафиниране).
Какво представлява електролизата? За по-просто разбиране на отговора на този въпрос, нека си представим всеки източник на постоянен ток. За всеки източник на постоянен ток винаги можете да намерите положителен и отрицателен полюс:
Нека свържем към него две химически устойчиви електропроводими пластини, които ще наречем електроди. Плочата, свързана към положителния полюс, се нарича анод, а към отрицателния полюс се нарича катод:
Натриевият хлорид е електролит; когато се стопи, той се разпада на натриеви катиони и хлоридни йони:
NaCl \u003d Na + + Cl -
Очевидно е, че отрицателно заредените хлорни аниони ще отидат към положително заредения електрод - анода, а положително заредените Na + катиони ще отидат към отрицателно заредения електрод - катода. В резултат на това както Na + катиони, така и Cl - аниони ще бъдат разредени, т.е. те ще станат неутрални атоми. Разрядът възниква чрез придобиване на електрони в случай на Na + йони и загуба на електрони в случай на Cl − йони. Тоест процесът протича на катода:
Na + + 1e − = Na 0 ,
И на анода:
Cl − − 1e − = Cl
Тъй като всеки хлорен атом има несдвоен електрон, тяхното единично съществуване е неблагоприятно и хлорните атоми се комбинират в молекула от два хлорни атома:
Сl∙ + ∙Cl \u003d Cl 2
Така общо процесът, протичащ на анода, е по-правилно написан, както следва:
2Cl - - 2e - = Cl 2
Тоест имаме:
Катод: Na + + 1e − = Na 0
Анод: 2Cl - - 2e - = Cl 2
Нека обобщим електронния баланс:
Na + + 1e − = Na 0 |∙2
2Cl − − 2e − = Cl 2 |∙1<
Добавете лявата и дясната страна на двете уравнения половинчати реакции, получаваме:
2Na + + 2e − + 2Cl − − 2e − = 2Na 0 + Cl 2
Редуцираме два електрона по същия начин, както се прави в алгебрата, получаваме йонното уравнение на електролизата:
2NaCl (л.) => 2Na + Cl 2
От теоретична гледна точка случаят, разгледан по-горе, е най-простият, тъй като в стопилката на натриев хлорид сред положително заредените йони имаше само натриеви йони, а сред отрицателните - само хлорни аниони.
С други думи, нито Na + катиони, нито Cl - аниони са имали "конкуренти" за катода и анода.
А какво ще се случи например, ако вместо стопилка на натриев хлорид се пропусне ток през водния му разтвор? В този случай също се наблюдава дисоциация на натриев хлорид, но образуването на метален натрий във воден разтвор става невъзможно. Все пак знаем, че натрият, представител на алкалните метали, е изключително активен метал, който реагира много бурно с водата. Ако натрият не може да се редуцира при такива условия, тогава какво ще се редуцира на катода?
Нека си припомним структурата на водната молекула. Това е дипол, тоест има отрицателен и положителен полюс:
Благодарение на това свойство той е в състояние да „залепи“ както повърхността на катода, така и повърхността на анода:
Могат да се случат следните процеси:
2H 2 O + 2e - \u003d 2OH - + H 2
2H 2 O - 4e - \u003d O 2 + 4H +
По този начин се оказва, че ако разгледаме разтвор на който и да е електролит, ще видим, че катионите и анионите, образувани по време на дисоциацията на електролита, се конкурират с водните молекули за редукция на катода и окисление на анода.
И така, какви процеси ще протичат на катода и на анода? Изхвърляне на йони, образувани по време на дисоциацията на електролита или окисление / редукция на водни молекули? Или може би всички тези процеси ще се появят едновременно?
В зависимост от вида на електролита, по време на електролизата на неговия воден разтвор са възможни различни ситуации. Например, катиони на алкални, алкалоземни метали, алуминий и магнезий просто не могат да бъдат редуцирани във водната среда, тъй като тяхното редуциране би трябвало да произведе съответно алкални, алкалоземни метали, алуминий или магнезий. метали, които реагират с вода.
В този случай е възможно само намаляването на водните молекули на катода.
Възможно е да запомните какъв процес ще протече на катода по време на електролизата на разтвор на всеки електролит, като следвате следните принципи:
1) Ако електролитът се състои от метален катион, който в свободно състояние при нормални условия реагира с вода, на катода протича следният процес:
2H 2 O + 2e - \u003d 2OH - + H 2
Това се отнася за метали, които са в началото на редицата активност на Al, включително.
2) Ако електролитът се състои от метален катион, който в свободната си форма не реагира с вода, но реагира с неокисляващи киселини, протичат два процеса наведнъж, както редукция на метални катиони, така и водни молекули:
Me n+ + ne = Me 0
Тези метали включват тези между Al и H в серията активност.
3) Ако електролитът се състои от водородни катиони (киселина) или метални катиони, които не реагират с неокисляващи киселини, се възстановяват само електролитни катиони:
2H + + 2e - \u003d H 2 - в случай на киселина
Me n + + ne = Me 0 - в случай на сол
Междувременно на анода ситуацията е следната:
1) Ако електролитът съдържа аниони на безкислородни киселинни остатъци (с изключение на F -), тогава процесът на тяхното окисление се извършва на анода, водните молекули не се окисляват. Например:
2Cl - - 2e \u003d Cl 2
S 2- − 2e = S o
Флуорните йони не се окисляват на анода, тъй като флуорът не може да се образува във воден разтвор (реагира с вода)
2) Ако електролитът съдържа хидроксидни йони (алкали), те се окисляват вместо водни молекули:
4OH - - 4e - \u003d 2H 2 O + O 2
3) Ако електролитът съдържа киселинен остатък, съдържащ кислород (с изключение на органични киселинни остатъци) или флуориден йон (F -) на анода, протича процесът на окисляване на водните молекули:
2H 2 O - 4e - \u003d O 2 + 4H +
4) В случай на киселинен остатък от карбоксилна киселина върху анода протича следният процес:
2RCOO - - 2e - \u003d R-R + 2CO 2
Нека се упражним да пишем уравнения за електролиза за различни ситуации:
Пример #1
Напишете уравненията за процесите, протичащи на катода и анода по време на електролиза на стопилка от цинков хлорид, както и общото уравнение на електролизата.
Решение
Когато цинковият хлорид се разтопи, той се дисоциира:
ZnCl 2 \u003d Zn 2+ + 2Cl -
Освен това трябва да се обърне внимание на факта, че стопилката на цинковия хлорид се подлага на електролиза, а не водният разтвор. С други думи, без опции, само редуцирането на цинковите катиони може да се случи на катода и окисляването на хлоридните йони на анода. няма водни молекули
Катод: Zn 2+ + 2e − = Zn 0 |∙1
Анод: 2Cl − − 2e − = Cl 2 |∙1
ZnCl 2 \u003d Zn + Cl 2
Пример #2
Напишете уравненията за процесите, протичащи на катода и анода по време на електролизата на воден разтвор на цинков хлорид, както и общото уравнение на електролизата.
Тъй като в този случай водният разтвор се подлага на електролиза, тогава теоретично водните молекули могат да участват в електролизата. Тъй като цинкът е разположен в серията на активност между Al и H, това означава, че както редукцията на цинковите катиони, така и на водните молекули ще се случи на катода.
2H 2 O + 2e - \u003d 2OH - + H 2
Zn 2+ + 2e − = Zn 0
Хлоридният йон е киселинният остатък на безкислородната киселина HCl, следователно в конкуренцията за окисляване на анода хлоридните йони „печелят“ над водните молекули:
2Cl - - 2e - = Cl 2
В този конкретен случай е невъзможно да се напише общото уравнение на електролизата, тъй като съотношението между водорода и цинка, отделени на катода, е неизвестно.
Пример #3
Напишете уравненията за процесите, протичащи на катода и анода по време на електролизата на воден разтвор на меден нитрат, както и общото уравнение на електролизата.
Медният нитрат в разтвор е в дисоциирано състояние:
Cu(NO 3) 2 \u003d Cu 2+ + 2NO 3 -
Медта е в серията активност вдясно от водорода, тоест медните катиони ще бъдат редуцирани на катода:
Cu 2+ + 2e − = Cu 0
Нитратен йон NO 3 - е киселинен остатък, съдържащ кислород, което означава, че при окисление на анода нитратните йони „губят“ в конкуренцията с водните молекули:
2H 2 O - 4e - \u003d O 2 + 4H +
По този начин:
Катод: Cu 2+ + 2e − = Cu 0 |∙2
2Cu 2+ + 2H 2 O = 2Cu 0 + O 2 + 4H +
Полученото в резултат на добавянето уравнение е йонното уравнение на електролизата. За да получите пълното уравнение на молекулярната електролиза, трябва да добавите 4 нитратни йона към лявата и дясната страна на полученото йонно уравнение като противойони. Тогава ще получим:
2Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O = 2Cu 0 + O 2 + 4HNO 3
Пример #4
Напишете уравненията за процесите, протичащи на катода и анода по време на електролизата на воден разтвор на калиев ацетат, както и общото уравнение на електролизата.
Решение:
Калиевият ацетат във воден разтвор се дисоциира на калиеви катиони и ацетатни йони:
CH 3 COOK \u003d CH 3 COO − + K +
Калият е алкален метал, т.е. е в електрохимичната серия от напрежения в самото начало. Това означава, че неговите катиони не могат да се разреждат на катода. Вместо това водните молекули ще бъдат възстановени:
2H 2 O + 2e - \u003d 2OH - + H 2
Както бе споменато по-горе, киселинните остатъци на карбоксилните киселини "печелят" в конкуренцията за окисление от водните молекули на анода:
2CH 3 COO - - 2e - \u003d CH 3 -CH 3 + 2CO 2
По този начин, обобщавайки електронния баланс и добавяйки двете уравнения на полуреакциите на катода и анода, получаваме:
Катод: 2H 2 O + 2e − = 2OH − + H 2 |∙1
Анод: 2CH 3 COO - - 2e - \u003d CH 3 -CH 3 + 2CO 2 | ∙ 1
2H 2 O + 2CH 3 COO - \u003d 2OH - + H 2 + CH 3 -CH 3 + 2CO 2
Получихме пълното уравнение на електролизата в йонна форма. Като добавим два калиеви йона към лявата и дясната страна на уравнението и ги добавим с противойони, получаваме пълното уравнение на електролизата в молекулярна форма:
2H 2 O + 2CH 3 COOK \u003d 2KOH + H 2 + CH 3 -CH 3 + 2CO 2
Пример #5
Напишете уравненията за процесите, протичащи на катода и анода по време на електролизата на воден разтвор на сярна киселина, както и общото уравнение на електролизата.
Сярната киселина се разпада на водородни катиони и сулфатни йони:
H 2 SO 4 \u003d 2H + + SO 4 2-
Водородните катиони H + ще бъдат редуцирани на катода, а водните молекули ще бъдат окислени на анода, тъй като сулфатните йони са киселинни остатъци, съдържащи кислород:
Катод: 2Н + + 2e − = H 2 |∙2
Анод: 2H 2 O - 4e - = O 2 + 4H + |∙1
4H + + 2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2 + 4H +
Намалявайки водородните йони в лявата, дясната и лявата страна на уравнението, получаваме уравнението за електролиза на воден разтвор на сярна киселина:
2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2
Както се вижда, електролизата на воден разтвор на сярна киселина се свежда до електролиза на вода.
Пример #6
Напишете уравненията за процесите, протичащи на катода и анода по време на електролизата на воден разтвор на натриев хидроксид, както и общото уравнение на електролизата.
Дисоциация на натриев хидроксид:
NaOH = Na + + OH -
Само водните молекули ще бъдат редуцирани на катода, тъй като натрият е силно активен метал, и само хидроксидните йони на анода:
Катод: 2H 2 O + 2e − = 2OH − + H 2 |∙2
Анод: 4OH − − 4e − = O 2 + 2H 2 O |∙1
4H 2 O + 4OH - \u003d 4OH - + 2H 2 + O 2 + 2H 2 O
Нека редуцираме две водни молекули отляво и отдясно и 4 хидроксидни йона и стигнем до извода, че както в случая със сярната киселина, електролизата на воден разтвор на натриев хидроксид се свежда до електролиза на вода.
