Jednačina elektrolize hlorovodonične kiseline. Elektroliza
Elektroliza rastvora
i rastopljene soli (2 sata)
Nastava izbornog predmeta "Elektrohemija"
Ciljevi prve lekcije:
Plan prve lekcije
1. Ponavljanje proučavanih metoda za dobijanje metala.
2. Objašnjenje novog materijala.
3. Rješavanje zadataka iz udžbenika G.E. Rudzitisa, F.G. Feldmana "Hemija-9" (M.: Obrazovanje, 2002), str. 120, broj 1, 2.
4. Provjera asimilacije znanja na testnim zadacima.
5. Izvještaj o primjeni elektrolize.
Ciljevi prve lekcije: naučiti pisati sheme za elektrolizu otopina i rastopljenih soli i primijeniti stečena znanja za rješavanje računskih zadataka; nastaviti formiranje vještina u radu sa udžbenikom, testnim materijalima; raspravljati o primjeni elektrolize u nacionalnoj ekonomiji.
NAPREDAK PRVOG ČASA
Ponavljanje naučenih metoda dobijanje metala na primjeru dobivanja bakra iz bakar(II) oksida.
Zapisivanje jednadžbi odgovarajućih reakcija:
Drugi način dobijanja metala iz rastvora i talina njihovih soli je elektrohemijski, ili elektroliza.
Elektroliza je redoks proces koji se javlja na elektrodama kada se električna struja propušta kroz otopinu taline ili elektrolita..
Elektroliza taline natrijum hlorida:
NaCl Na + + Cl – ;
katoda (–) (Na +): Na + + e= Na 0 ,
anoda (–) (Cl –): Cl – – e\u003d Cl 0, 2Cl 0 \u003d Cl 2;
2NaCl \u003d 2Na + Cl 2.
Elektroliza rastvora natrijum hlorida:
NaCl Na + + Cl – ,
H 2 O H + + OH -;
katoda (–) (Na +; H +): H + + e= H 0 , 2H 0 = H 2
(2H 2 O + 2 e\u003d H 2 + 2OH -),
anoda (+) (Cl - ; OH -): Cl - - e\u003d Cl 0, 2Cl 0 \u003d Cl 2;
2NaCl + 2H 2 O \u003d 2NaOH + Cl 2 + H 2.
Elektroliza rastvora bakar(II) nitrata:
Cu(NO 3) 2 Cu 2+ +
H 2 O H + + OH -;
katoda (–) (Cu 2+; H +): Cu 2+ + 2 e= Cu 0 ,
anoda (+) (OH -): OH - - e=OH0,
4H 0 \u003d O 2 + 2H 2 O;
2Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O \u003d 2Cu + O 2 + 4HNO 3.
Ova tri primjera pokazuju zašto je isplativije provoditi elektrolizu nego druge metode dobivanja metala: dobivaju se metali, hidroksidi, kiseline, plinovi.
Napisali smo šeme elektrolize, a sada ćemo pokušati odmah napisati jednadžbe elektrolize, bez pozivanja na sheme, već samo koristeći skalu aktivnosti jona:
Primjeri jednadžbi elektrolize:
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.
Rješavanje problema iz udžbenika G.E. Rudzitisa i F.G. Feldmana (9. razred, str. 120, br. 1, 2).
Zadatak 1. Prilikom elektrolize rastvora bakar (II) hlorida masa katode se povećala za 8 g. Koji je gas oslobođen, kolika je njegova masa?
Rješenje
CuCl 2 + H 2 O \u003d Cu + Cl 2 + H 2 O,
(Cu) \u003d 8/64 \u003d 0,125 mol,
(Cu) \u003d (Sl 2) \u003d 0,125 mol,
m(Cl 2) \u003d 0,125 71 \u003d 8,875 g.
Odgovori. Gas je hlor mase 8,875 g.
Zadatak 2. Prilikom elektrolize vodenog rastvora srebrnog nitrata oslobođeno je 5,6 litara gasa. Koliko grama metala je taloženo na katodi?
Rješenje
4AgNO 3 + 2H 2 O \u003d 4Ag + O 2 + 4HNO 3,
(O 2) \u003d 5,6 / 22,4 \u003d 0,25 mol,
(Ag) = 4 (O 2) \u003d 4 25 = 1 mol,
m(Ag) \u003d 1 107 \u003d 107 g.
Odgovori. 107 g srebra.
Testiranje
Opcija 1
1. Tokom elektrolize rastvora kalijum hidroksida na katodi, oslobađa se:
a) vodonik; b) kiseonik; c) kalijum.
2. Prilikom elektrolize rastvora bakar(II) sulfata u rastvoru nastaje:
a) bakar(II) hidroksid;
b) sumporna kiselina;
3. Tokom elektrolize rastvora barijum hlorida na anodi, oslobađa se:
a) vodonik; b) hlor; c) kiseonik.
4. Tokom elektrolize taline aluminijum hlorida, na katodi se oslobađa:
a) aluminijum; b) hlor;
c) elektroliza je nemoguća.
5. Elektroliza otopine srebrnog nitrata odvija se prema sljedećoj shemi:
a) AgNO 3 + H 2 O Ag + H 2 + HNO 3;
b) AgNO 3 + H 2 O Ag + O 2 + HNO 3;
c) AgNO 3 + H 2 O AgNO 3 + H 2 + O 2.
Opcija 2
1. Tokom elektrolize rastvora natrijum hidroksida na anodi, oslobađa se:
a) natrijum; b) kiseonik; c) vodonik.
2. Prilikom elektrolize rastvora natrijum sulfida u rastvoru nastaje:
a) sumporovodonična kiselina;
b) natrijum hidroksid;
3. Tokom elektrolize taline živinog(II) hlorida, na katodi se oslobađa:
a) živa; b) hlor; c) elektroliza je nemoguća.
4.
5. Elektroliza otopine živinog(II) nitrata odvija se prema sljedećoj shemi:
a) 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;
c) Hg (NO 3) 2 + H 2 O Hg (NO 3) 2 + H 2 + O 2.
Opcija 3
1. Prilikom elektrolize rastvora bakar (II) nitrata na katodi se oslobađa:
a) bakar; b) kiseonik; c) vodonik.
2. Prilikom elektrolize rastvora litijum bromida u rastvoru nastaje:
b) bromovodonična kiselina;
c) litijum hidroksid.
3. Tokom elektrolize taline srebrnog hlorida, na katodi se oslobađa:
a) srebro; b) hlor; c) elektroliza je nemoguća.
4. Tokom elektrolize rastvora aluminijum hlorida, aluminijum se oslobađa u:
a) katoda; b) anoda; c) ostaje u rastvoru.
5. Elektroliza otopine barijum bromida odvija se prema sljedećoj shemi:
a) BaBr 2 + H 2 O Br 2 + H 2 + Ba (OH) 2;
b) BaBr 2 + H 2 O Br 2 + Ba + H 2 O;
c) BaBr 2 + H 2 O Br 2 + O 2 + Ba (OH) 2.
Opcija 4
1. Tokom elektrolize rastvora barijum hidroksida na anodi, oslobađa se:
a) vodonik; b) kiseonik; c) barijum.
2. Prilikom elektrolize rastvora kalijum jodida u rastvoru nastaje:
a) jodovodonična kiselina;
b) voda; c) kalijum hidroksid.
3. Tokom elektrolize taline olovo (II) hlorida, na katodi se oslobađa:
a) olovo; b) hlor; c) elektroliza je nemoguća.
4. Tokom elektrolize rastvora srebrnog nitrata na katodi, oslobađa se:
a) srebro; b) vodonik; c) kiseonik.
5. Elektroliza otopine natrijevog sulfida odvija se prema sljedećoj shemi:
a) Na 2 S + H 2 O S + H 2 + NaOH;
b) Na 2 S + H 2 O H 2 + O 2 + Na 2 S;
c) Na 2 S + H 2 O H 2 + Na 2 S + NaOH.
Odgovori
| Opcija | pitanje 1 | Pitanje 2 | Pitanje 3 | Pitanje 4 | Pitanje 5 |
| 1 | a | b | b | a | b |
| 2 | b | b | a | a | b |
| 3 | a | in | a | in | a |
| 4 | b | in | a | a | a |
Upotreba elektrolize u nacionalnoj ekonomiji
1. Za zaštitu metalnih proizvoda od korozije, na njihovu površinu nanosi se tanak sloj drugog metala: hroma, srebra, zlata, nikla itd. Ponekad, kako se ne bi trošili skupi metali, proizvodi se višeslojni premaz. Na primjer, vanjski dijelovi automobila prvo su prekriveni tankim slojem bakra, tanak sloj nikla se nanosi na bakar, a na njega se nanosi sloj hroma.
Prilikom nanošenja premaza na metal elektrolizom, oni se dobijaju ujednačene debljine i izdržljivi. Na taj način možete pokriti proizvode bilo kojeg oblika. Ova grana primijenjene elektrohemije naziva se galvanizacija.
2. Osim zaštite od korozije, galvanski premazi daju lijep dekorativni izgled proizvodima.
3. Druga grana elektrohemije, u principu bliska galvanizaciji, naziva se galvanizacija. Ovo je proces dobijanja tačnih kopija različitih artikala. Da biste to učinili, predmet je prekriven voskom i dobije se matrica. Sva udubljenja kopiranog objekta na matrici će biti ispupčenja. Površina voštane matrice obložena je tankim slojem grafita, što ga čini električno provodljivom.
Rezultirajuća grafitna elektroda je uronjena u kupku otopine bakar sulfata. Anoda je bakar. Tokom elektrolize, bakarna anoda se rastvara, a bakar se taloži na grafitnoj katodi. Tako se dobija tačna bakrena kopija.
Uz pomoć elektroformiranja izrađuju se klišei za štampu, gramofonske ploče, metaliziraju se razni predmeti. Galvanoplastiku je otkrio ruski naučnik B.S. Jacobi (1838).
Izrada matrica za ploče uključuje nanošenje tankog sloja srebra na plastičnu ploču kako bi se učinila električno provodljivom. Zatim se na ploču nanosi elektrolitička prevlaka od nikla.
Šta treba učiniti da se napravi ploča u elektrolitičkoj kupki - anoda ili katoda?
(O e t. katodi.)
4. Elektroliza se koristi za dobijanje mnogih metala: alkalnih, zemnoalkalnih, aluminijuma, lantanida itd.
5. Da bi se neki metali očistili od nečistoća, metal sa nečistoćama se spaja na anodu. Metal se rastvara tokom procesa elektrolize i taloži na metalnoj katodi, dok nečistoća ostaje u rastvoru.
6. Elektroliza se široko koristi za dobivanje složenih tvari (alkalije, kiseline koje sadrže kisik), halogena.
Praktičan rad(druga lekcija)
Ciljevi lekcije. Provedite elektrolizu vode, pokažite galvanizaciju u praksi, učvrstite znanja stečena na prvoj lekciji.
Oprema.Na studentskim stolovima: prazna baterija, dvije žice sa terminalima, dvije grafitne elektrode, čaša, epruvete, tronožac sa dvije noge, 3% rastvor natrijum sulfata, špiritus, šibice, baklja.
Na učiteljskom stolu: isto + rastvor bakar sulfata, mesingani ključ, bakarna cijev (komad bakra).
Studentski brifing
1. Pričvrstite žice sa terminalima na elektrode.
2. Postavite elektrode u čašu tako da se ne dodiruju.
3. Sipajte rastvor elektrolita (natrijum sulfat) u čašu.
4. U epruvete sipajte vodu i stavite ih naopako u čašu sa elektrolitom, jednu po jednu na grafitne elektrode, pričvršćujući gornji rub epruvete u podnožje stativa.
5. Nakon što je uređaj montiran, pričvrstite krajeve žica na bateriju.
6. Posmatrajte evoluciju gasnih mehurića: manje ih se oslobađa na anodi nego na katodi. Nakon što je gotovo sva voda u jednoj epruveti istisnuta otpuštenim plinom, au drugoj - za pola, odspojite žice iz baterije.
7. Upalite špiritus, pažljivo izvadite epruvetu, gde je voda skoro potpuno istisnuta, i donesite je do špiritne lampe - začuće se karakterističan prasak gasa.
8. Zapalite baklju. Uklonite drugu epruvetu, provjerite tinjajućim dijelom plina.
Zadaci za studente
1. Skicirajte uređaj.
2. Napišite jednačinu za elektrolizu vode i objasnite zašto je bilo potrebno provesti elektrolizu u otopini natrijum sulfata.
3. Napišite jednadžbe reakcije koje odražavaju oslobađanje plinova na elektrodama.
Demonstracijski eksperiment nastavnika
(mogu izvoditi najbolji učenici u razredu
sa odgovarajućom opremom)
1. Spojite terminale žice na bakarnu cijev i mesingani ključ.
2. Spustite epruvetu i unesite u čašu sa rastvorom bakar(II) sulfata.
3. Spojite druge krajeve žica na bateriju: "minus" baterije na bakarnu cijev, "plus" na ključ!
4. Obratite pažnju na oslobađanje bakra na površini ključa.
5. Nakon izvođenja eksperimenta, prvo odspojite terminale sa baterije, a zatim izvadite ključ iz otopine.
6. Rastavite krug elektrolize sa rastvorljivom elektrodom:
CuSO 4 \u003d Cu 2+ +
anoda (+): Su 0 - 2 e\u003d Cu 2+,
katoda (–): Cu 2+ + 2 e= Su 0 .
Ukupna jednačina za elektrolizu sa rastvorljivom anodom se ne može napisati.
Elektroliza je izvedena u rastvoru bakar(II) sulfata, jer:
a) potreban je rastvor elektrolita da bi struja mogla teći, tk. voda je slab elektrolit;
b) neće se osloboditi nusproizvodi reakcija, već samo bakar na katodi.
7. Da biste konsolidirali prošlost, napišite shemu za elektrolizu cink klorida ugljičnim elektrodama:
ZnCl 2 \u003d Zn 2+ + 2Cl -,
katoda (–): Zn 2+ + 2 e= Zn 0 ,
2H2O+2 e\u003d H 2 + 2OH -,
anoda (+): 2Cl – – 2 e=Cl2.
Ukupna jednačina reakcije u ovom slučaju se ne može napisati, jer nije poznato koji dio ukupne količine električne energije ide na redukciju vode, a koji dio - na redukciju jona cinka.
 |
Šema demonstracionog eksperimenta |
Zadaća
1. Napišite jednadžbu za elektrolizu otopine koja sadrži mješavinu bakar(II) nitrata i srebrovog nitrata s inertnim elektrodama.
2. Napišite jednačinu za elektrolizu rastvora natrijum hidroksida.
3. Za čišćenje bakrenog novčića potrebno ga je objesiti na bakarnu žicu spojenu na negativni pol baterije i spustiti u 2,5% otopinu NaOH, gdje treba uroniti i grafitnu elektrodu spojenu na pozitivni pol baterije. . Objasnite kako novčić postaje čist. ( Odgovori. Ioni vodika se redukuju na katodi:
2H + + 2 e\u003d H 2.
Vodik reagira s bakrenim oksidom na površini novčića:
CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O.
Ova metoda je bolja od praškastog čišćenja, jer. novčić se ne briše.)
Kada se razmatra elektroliza vodenih otopina, mora se imati na umu da, osim iona elektrolita, u bilo kojoj vodenoj otopini postoje i joni koji su produkti disocijacije vode H + i OH -.
U električnom polju ioni vodonika kreću se prema katodi, a OH ioni se kreću prema anodi. Tako se na katodi mogu isprazniti i katjoni elektrolita i vodonik. Slično, na anodi se mogu isprazniti i anioni elektrolita i hidroksidni joni. Osim toga, molekuli vode također mogu biti podvrgnuti elektrohemijskoj oksidaciji ili redukciji.
Koji će se elektrohemijski procesi odvijati na elektrodama tokom elektrolize prvenstveno će zavisiti od relativnih vrednosti elektrodnih potencijala odgovarajućih elektrohemijskih sistema. Od nekoliko mogućih procesa nastavit će se onaj s minimalnom potrošnjom energije. To znači da će oksidirani oblici elektrohemijskih sistema sa najvećim elektrodnim potencijalom biti redukovani na katodi, dok će redukovani oblici sistema sa najnižim elektrodnim potencijalom biti oksidovani na anodi. U opštem slučaju, na anodi se lakše oksidiraju oni atomi, molekuli i ioni čiji su potencijali u datim uslovima najmanji, a na katodi se lakše redukuju oni ioni, molekuli, atomi čiji su potencijali najveći. Razmotrimo katodne procese koji se javljaju tokom elektrolize vodenih rastvora soli. Ovdje je potrebno uzeti u obzir veličinu elektrodnog potencijala procesa redukcije vodikovih iona, koja ovisi o koncentraciji vodikovih iona. Poznata nam je opšta jednačina elektrodnog potencijala za vodoničnu elektrodu (odjeljak 2.3).
U slučaju neutralnih otopina (pH=7), vrijednost elektrodnog potencijala procesa redukcije vodikovih jona je
|
φ = –0,059 . 7 = -0,41 V. |
1) tokom elektrolize rastvora soli koji sadrže katjone metala, čiji je elektrodni potencijal mnogo pozitivniji od –0,41 V, metal će se reducirati iz neutralnog rastvora takvog elektrolita na katodi. Takvi metali su u nizu napona blizu vodonika (počevši otprilike od kalaja i nakon njega);
2) tokom elektrolize rastvora soli koji sadrže katjone metala, čiji je elektrodni potencijal mnogo negativniji od -0,41 V, metal se neće redukovati na katodi, ali će se osloboditi vodonik. Takvi metali uključuju alkalije, zemnoalkalne, magnezijum, aluminijum, do približno titanijuma;
3) tokom elektrolize rastvora soli koji sadrže katjone metala, čiji je elektrodni potencijal blizu -0,41 V (metali srednjeg dela serije - Zn, Cr, Fe, Cd, Ni), zatim, u zavisnosti od koncentracije rastvora soli i uslova elektrolize (gustina struje, temperatura, sastav rastvora), moguća je redukcija metala i evolucija vodonika; ponekad dolazi do zajedničkog oslobađanja metala i vodonika.
Elektrohemijsko oslobađanje vodika iz kiselih otopina događa se zbog pražnjenja vodikovih iona:
2H + 2ē → 2H 0
2H 0 = H 2 .
U slučaju neutralnog ili alkalnog medija, razvijanje vodika nastaje kao rezultat elektrohemijske redukcije vode:
HOH + ē → H 0 + OH –
H 0 + H 0 = H 2 ,
|
onda 2HON + 2ē → H 2 + 2OH – |
Dakle, priroda katodnog procesa tokom elektrolize vodenih rastvora određena je prvenstveno položajem odgovarajućeg metala u nizu standardnih elektrodnih potencijala metala.
Ako se vodena otopina koja sadrži katione različitih metala podvrgne elektrolizi, tada će se njihovo oslobađanje na katodi, u pravilu, odvijati po redukciji algebarske vrijednosti elektrodnog potencijala metala. Na primjer, iz mješavine kationa Ag +, Cu 2+ i Zn 2+ s dovoljnim naponom na priključcima elektrolizera, kationi srebra (φ 0 = +0,8 V), zatim bakra (φ 0 = +0,34 V ) i, konačno, cink (φ 0 \u003d -0,76 V).
Elektrohemijsko odvajanje metala iz mješavine katjona koristi se u inženjerstvu i kvantitativnoj analizi. Općenito, sposobnost pražnjenja (prihvatanja elektrona) za metalne jone je određena pozicijom metala u nizu standardnih elektrodnih potencijala. Što je metal više lijevo u nizu napona, što je veći njegov negativni potencijal ili što je manji pozitivan potencijal, to je teže za njegove ione da se isprazne. Dakle, iz metalnih jona u nizu napona najlakše se ispuštaju trovalentni ioni zlata (pri najnižim naponima električne struje), zatim ioni srebra itd. Najteže (pri najvećem naponu električne struje) je pražnjenje kalijevih jona. Ali vrijednost potencijala metala, kao što je poznato, varira ovisno o koncentraciji njegovih jona u otopini; na isti način, lakoća pražnjenja jona svakog metala varira u zavisnosti od njihove koncentracije: povećanje koncentracije olakšava pražnjenje jona, smanjenje otežava. Stoga, tokom elektrolize otopine koja sadrži ione nekoliko metala, može se dogoditi da do oslobađanja aktivnijeg metala dođe prije nego do oslobađanja manje aktivnog (ako je koncentracija prvog metalnog jona značajna, a drugi je veoma nizak).
Razmotrimo anodne procese koji se javljaju tokom elektrolize vodenih rastvora soli. Priroda reakcija koje se odvijaju na anodi zavisi i od prisustva molekula vode i od supstance od koje je anoda napravljena. Treba imati na umu da materijal anode može oksidirati tokom elektrolize. U tom smislu, pravi se razlika između elektrolize sa inertnom (nerastvorljivom) anodom i elektrolize sa aktivnom (topivom) anodom. Nerastvorljive anode se prave od uglja, grafita, platine, iridijuma; rastvorljive anode - od bakra, srebra, cinka, kadmijuma, nikla i drugih metala. Na nerastvornoj anodi tokom elektrolize oksidiraju se anjoni ili molekuli vode. Prilikom elektrolize vodenih rastvora kiselina bez kiseonika HI, HBr, HCl, H 2 S i njihovih soli (osim HF i fluorida), anjoni se ispuštaju na anodi i oslobađa se odgovarajući halogen. Imajte na umu da je oslobađanje hlora tokom elektrolize HCl i njegovih soli u suprotnosti sa međusobnim položajem sistema.
2Cl – – 2ē →Cl 2 (φ 0 = +1,36 V)
2 H 2 O– 4ē →O 2 + 4 H + (φ 0 = +1,23 V)
u nizu standardnih elektrodnih potencijala. Ova anomalija je povezana sa značajnim prenaponom drugog od ova dva elektrodna procesa - materijal anode ima inhibitorni efekat na proces evolucije kiseonika.
Prilikom elektrolize vodenih rastvora soli koje sadrže anjone SO 4 2-, SO 3 2-, NO 3 -, PO 4 3- itd., kao i fluorovodonika i fluorida, dolazi do elektrohemijske oksidacije vode. Ovisno o pH otopine, ovaj proces se odvija različito i može se zapisati različitim jednadžbama. U alkalnom mediju, jednadžba ima oblik
4OH – – 4ē → 2H 2 O+O 2 , (pH > 7)
a u kiselim ili neutralnim medijima imamo
HOH– 2ē →O 0 + 2 H + (pH ≤ 7)
2 O 0 = O 2 ,
|
onda 2H 2 O – 4ē → 4N + + 2O 2 . |
U razmatranim slučajevima, elektrohemijska oksidacija vode je energetski najpovoljniji proces. Oksidacija anjona koji sadrže kiseonik dešava se pri vrlo visokim potencijalima. Na primjer, standardni oksidacijski potencijal SO 4 2- jona - 2ē → S 2 O 8 2- je 2,01 V, što znatno premašuje standardni potencijal oksidacije vode od 1,228 V.
2H 2 O - 4ē → O 2 + 4H + (φ 0 = 1,228 V).
Standardni jonski oksidacijski potencijal F - je još važniji
2F – – 2ē →F 2 (φ 0 = 2 ,87 AT).
Općenito, tokom elektrolize vodenih otopina soli katodi elektrolizera istovremeno se približavaju katodi metala i vodonika, dok svaki od njih “tvrdi” da se reducira zbog elektrona koji dolaze sa katode. Kako će se proces redukcije zapravo odvijati na katodi? Odgovor se može dobiti na osnovu brojnih napona metala. U ovom slučaju, što je manja algebarska vrijednost standardnog elektrodnog potencijala metala, to su njihovi kationi slabiji akceptori elektrona i teže ih je reducirati na katodi. U tom smislu razlikuju se tri grupe kationa prema njihovom odnosu prema elektroredukciji.
1. Kationi koje karakteriše visoka aktivnost povlačenja elektrona (Cu 2+, Hg 2+, Ag+, Au 3+, Pt 2+, Pt 4+). Prilikom elektrolize soli ovih katjona dolazi do skoro potpune redukcije metalnih katjona; strujni izlaz 100% ili blizu njega.
2. Kationi koje karakterišu prosečne vrednosti sposobnosti povlačenja elektrona (Mn 2+, Zn 2+, Cr 3+, Fe 2+, Ni 2+, Sn 2+, Pb 2+). Tokom elektrolize na katodi, kationi i molekula metala i vode se istovremeno smanjuju, što dovodi do smanjenja strujne efikasnosti metala.
3. Kationi koji pokazuju nisku sposobnost povlačenja elektrona (K+, Ca 2+, Mg 2+, Al 3+). U ovom slučaju akceptori elektrona na katodi nisu kationi razmatrane grupe, već molekuli vode. U ovom slučaju, sami kationi ostaju nepromijenjeni u vodenom rastvoru, a trenutna efikasnost se približava nuli.
Odnos različitih anjona prema elektrooksidaciji na anodi
Anjoni kiselina bez kiseonika i njihove soli (Cl ¯, Br ¯, J ¯, S 2-, CN¯, itd.) drže svoje elektrone slabije od molekula vode. Stoga će tijekom elektrolize vodenih otopina spojeva koji sadrže ove anione, potonji igrati ulogu donora elektrona, oni će se oksidirati i prenijeti svoje elektrone u vanjski krug elektrolitičke ćelije.
Anjoni kiseonikovih kiselina (NO 3 ¯, SO 4 2-, PO 4 3-, itd.) su u stanju da drže svoje elektrone čvršće od molekula vode. U ovom slučaju voda se oksidira na anodi, dok sami anioni ostaju nepromijenjeni.
U slučaju rastvorljive anode, broj oksidativnih procesa se povećava na tri:
1) elektrohemijska oksidacija vode sa oslobađanjem kiseonika; 2) anjonsko pražnjenje (tj. njegova oksidacija); 3) elektrohemijska oksidacija anodnog metala (anodno rastvaranje metala).
Od mogućih procesa odvijaće se onaj koji je energetski najpovoljniji. Ako se metal anode nalazi u nizu standardnih potencijala ranije od oba druga elektrohemijska sistema, tada će se uočiti anodno rastvaranje metala. U suprotnom, doći će do evolucije kisika ili anionskog pražnjenja. Nije uspostavljena bliska sekvenca za pražnjenje anjona. Smanjenjem sposobnosti doniranja elektrona, najčešći anjoni su raspoređeni na sljedeći način: S 2-, J ¯, Br ¯, Cl ¯, OH¯, H 2 O, SO 4 2-, NO 3 ¯, CO 3 2- , PO 4 3- .
Razmotrimo nekoliko tipičnih slučajeva elektrolize vodenih otopina.
Elektroliza rastvora CuCl 2 sa nerastvorljivom anodom
U nizu napona, bakar se nalazi iza vodonika, pa će se Cu 2+ isprazniti na katodi i metalni bakar će se osloboditi, a hloridni ioni će se oksidirati u molekularni hlor Cl 2 na anodi.
|
katoda (-) |
|
|
Cu 2+ + 2ē → Cu 0 |
|
|
2Cl – – 2ē → Kl 2 |
Cu 2+ + 2 Cl – → Cu 0 +Cl 2
CuCl 2 → Cu 0 +Cl 2
Izlaz struje metala (95-100%).
Elektroliza rastvora NaNO 3
Pošto je natrijum u nizu napona mnogo raniji od vodonika, voda će se isprazniti na katodi. Na anodi će se također ispuštati voda.
|
katoda (-) |
|
2 H 2 O+ 2ē →H 2 + 2 Oh – |
|
2H 2 O–4ē → 4H + +O 2 . |
Tako se na katodi oslobađa vodonik i stvara se alkalna sredina, kisik se oslobađa na anodi, a kiselo okruženje stvara se u blizini anode. Ako anodni i katodni prostori nisu odvojeni jedan od drugog, tada će otopina u svim svojim dijelovima ostati električno neutralna.
|
katoda (-) |
|
|
2 H 2 O+ 2ē →H 2 + 2 Oh – |
|
|
2H 2 O–4ē → 4H + +O 2 . |
6H 2 O → 2H 2 + 4OH – + 4H + +O 2
6H 2 O → 2H 2 +O 2 + 4H 2 O
2 H 2 O → 2 H 2 + O 2
Trenutni izlaz metala je nula.
Zbog toga će tokom elektrolize rastvora NaNO 3 doći do elektrolize vode. Uloga NaNO 3 soli se svodi na povećanje električne provodljivosti otopine.
Elektroliza rastvora FeSO 4
Reakcije na katodi (-) (redukcija):
|
a) Fe 2+ + 2ē → Fe 0 |
istovremene reakcije |
|
b) 2 H 2 O+ 2ē →H 2 + 2 Oh – . |
Reakcija na anodi (+) (oksidacija):
2H 2 O–4ē → 4H + +O 2 .
Trenutni izlaz metala je prosječan.
Elektroliza KJ rastvora sa nerastvorljivom anodom
|
katoda (-) |
|
|
2 H 2 O+ 2ē →H 2 + 2 Oh – |
|
|
2J – – 2ē → J 2 |
2 H 2 O + 2J – → H 2 + 2 Oh – + J 2 .
Konačna jednadžba reakcije za elektrolizu otopine KJ:
2KJ+2H 2 O→H 2 + J 2 + 2KOH.
Elektroliza rastvora CuSO 4 sa bakrenom (rastvorljivom) anodom.
Standardni potencijal bakra je +0,337 V, što je mnogo više od -0,41 V; stoga, tokom elektrolize rastvora CuSO 4 na katodi, dolazi do pražnjenja Cu 2+ jona i oslobađa se metalni bakar. Na anodi se dešava suprotan proces - oksidacija metala, jer je potencijal bakra mnogo manji od oksidacionog potencijala vode (+1,228 V), a još više - oksidacioni potencijal SO 4 2- jona ( +2,01 V). Posljedično, u ovom slučaju, elektroliza se svodi na otapanje metala (bakra) anode i njegovo odvajanje na katodi.
Šema elektrolize rastvora bakar sulfata:
|
katoda (-) |
|
Cu 2+ + 2ē → Cu 0 |
|
Cu 0 – 2ē → Cu 2+ . |
Ovaj proces se koristi za električno rafiniranje metala (tzv. elektrolitičko rafiniranje).
Šta je elektroliza? Za jednostavnije razumijevanje odgovora na ovo pitanje, zamislimo bilo koji izvor jednosmjerne struje. Za svaki izvor istosmjerne struje uvijek možete pronaći pozitivan i negativan pol:
Spojimo na njega dvije kemijski otporne električno vodljive ploče koje ćemo nazvati elektrodama. Ploča spojena na pozitivni pol naziva se anoda, a na negativni pol katoda:
Natrijum hlorid je elektrolit; kada se topi, disocira na natrijum katione i hloridne ione:
NaCl \u003d Na + + Cl -
Očigledno je da će negativno nabijeni anioni klora ići na pozitivno nabijenu elektrodu - anodu, a pozitivno nabijeni kationi Na + ići na negativno nabijenu elektrodu - katodu. Kao rezultat toga, i Na + kationi i Cl - anioni će se isprazniti, odnosno postat će neutralni atomi. Pražnjenje nastaje akvizicijom elektrona u slučaju Na + jona i gubitkom elektrona u slučaju Cl − jona. To jest, proces se odvija na katodi:
Na + + 1e − = Na 0 ,
I na anodi:
Cl − − 1e − = Cl
Pošto svaki atom hlora ima nespareni elektron, njihovo pojedinačno postojanje je nepovoljno i atomi hlora se kombinuju u molekulu od dva atoma hlora:
Sl∙ + ∙Cl \u003d Cl 2
Dakle, ukupno, proces koji se odvija na anodi je ispravnije zapisan na sljedeći način:
2Cl - - 2e - = Cl 2
Odnosno, imamo:
Katoda: Na + + 1e − = Na 0
Anoda: 2Cl - - 2e - = Cl 2
Da sumiramo elektronski bilans:
Na + + 1e − = Na 0 |∙2
2Cl − − 2e − = Cl 2 |∙1<
Dodajte lijevu i desnu stranu obje jednačine polureakcije, dobijamo:
2Na + + 2e − + 2Cl − − 2e − = 2Na 0 + Cl 2
Reduciramo dva elektrona na isti način kao što se to radi u algebri, dobijamo ionsku jednačinu elektrolize:
2NaCl (l.) => 2Na + Cl 2
Sa teorijske tačke gledišta, gore razmatrani slučaj je najjednostavniji, jer su u talini natrijevog klorida među pozitivno nabijenim ionima bili samo natrijevi ioni, a među negativnim samo anioni klora.
Drugim riječima, ni Na + kationi ni Cl − anioni nisu imali „konkurente“ za katodu i anodu.
A šta će se dogoditi, na primjer, ako se umjesto taline natrijum hlorida, kroz njegov vodeni rastvor prođe struja? U ovom slučaju se također opaža disocijacija natrijum hlorida, ali stvaranje metalnog natrijuma u vodenom rastvoru postaje nemoguće. Uostalom, znamo da je natrijum, predstavnik alkalnih metala, izuzetno aktivan metal koji vrlo burno reaguje sa vodom. Ako se natrijum ne može redukovati u takvim uslovima, šta će se onda redukovati na katodi?
Prisjetimo se strukture molekula vode. To je dipol, odnosno ima negativan i pozitivan pol:
Zahvaljujući ovom svojstvu, može se "zalijepiti" i za površinu katode i za površinu anode:
Mogu se odvijati sljedeći procesi:
2H 2 O + 2e - \u003d 2OH - + H 2
2H 2 O - 4e - \u003d O 2 + 4H +
Dakle, ispada da ako razmotrimo otopinu bilo kojeg elektrolita, vidjet ćemo da se kationi i anioni koji nastaju tijekom disocijacije elektrolita natječu s molekulama vode za redukciju na katodi i oksidaciju na anodi.
Dakle, koji će se procesi odvijati na katodi i na anodi? Pražnjenje jona nastalih tokom disocijacije elektrolita ili oksidacije/redukcije molekula vode? Ili će se, možda, svi ovi procesi odvijati istovremeno?
U zavisnosti od vrste elektrolita, moguće su različite situacije tokom elektrolize njegovog vodenog rastvora. Na primjer, kationi alkalnih, zemnoalkalnih metala, aluminija i magnezija jednostavno se ne mogu reducirati u vodenoj sredini, jer je njihovo smanjenje trebalo da proizvede alkalne, zemnoalkalne metale, aluminij ili magnezijum, respektivno. metali koji reaguju sa vodom.
U ovom slučaju moguća je samo redukcija molekula vode na katodi.
Moguće je zapamtiti koji će se proces odvijati na katodi tokom elektrolize otopine bilo kojeg elektrolita, slijedeći sljedeće principe:
1) Ako se elektrolit sastoji od metalnog katjona, koji u slobodnom stanju pod normalnim uslovima reaguje sa vodom, na katodi se odvija sledeći proces:
2H 2 O + 2e - \u003d 2OH - + H 2
Ovo se odnosi na metale koji se nalaze na početku serije aktivnosti Al, uključujući.
2) Ako se elektrolit sastoji od katjona metala, koji u slobodnom obliku ne reagira s vodom, ali reagira s neoksidirajućim kiselinama, odvijaju se dva procesa odjednom, i redukcija metalnih katjona i molekula vode:
Me n+ + ne = Me 0
Ovi metali uključuju one između Al i H u nizu aktivnosti.
3) Ako se elektrolit sastoji od katjona vodika (kiseline) ili metalnih kationa koji ne reagiraju s neoksidirajućim kiselinama, obnavljaju se samo katjoni elektrolita:
2H + + 2e - \u003d H 2 - u slučaju kiseline
Me n + + ne = Me 0 - u slučaju soli
Na anodi je u međuvremenu situacija sljedeća:
1) Ako elektrolit sadrži anione kiselinskih ostataka bez kisika (osim F-), tada se proces njihove oksidacije odvija na anodi, molekule vode se ne oksidiraju. Na primjer:
2Cl - - 2e \u003d Cl 2
S 2- − 2e = S o
Ioni fluorida se ne oksidiraju na anodi jer fluor ne može nastati u vodenoj otopini (reagira s vodom)
2) Ako elektrolit sadrži hidroksidne jone (alkalije), oni se oksidiraju umjesto molekula vode:
4OH - - 4e - \u003d 2H 2 O + O 2
3) Ako elektrolit sadrži kiselinski ostatak koji sadrži kisik (osim ostataka organske kiseline) ili fluorid ion (F -) na anodi, odvija se proces oksidacije molekula vode:
2H 2 O - 4e - \u003d O 2 + 4H +
4) U slučaju kiselog ostatka karboksilne kiseline na anodi, odvija se sljedeći proces:
2RCOO - - 2e - \u003d R-R + 2CO 2
Vježbajmo pisanje jednadžbi elektrolize za različite situacije:
Primjer #1
Napišite jednačine za procese koji se dešavaju na katodi i anodi tokom elektrolize taline cink hlorida, kao i opštu jednačinu elektrolize.
Rješenje
Kada se cink hlorid otopi, on se disocira:
ZnCl 2 \u003d Zn 2+ + 2Cl -
Nadalje, treba obratiti pažnju na činjenicu da je talina cink klorida ta koja se podvrgava elektrolizi, a ne vodeni rastvor. Drugim riječima, bez opcija, samo redukcija kationa cinka može se dogoditi na katodi, a oksidacija hloridnih jona na anodi. nema molekula vode
Katoda: Zn 2+ + 2e − = Zn 0 |∙1
Anoda: 2Cl − − 2e − = Cl 2 |∙1
ZnCl 2 \u003d Zn + Cl 2
Primjer #2
Napišite jednačine za procese koji se dešavaju na katodi i anodi tokom elektrolize vodenog rastvora cink hlorida, kao i opštu jednačinu elektrolize.
Budući da se u ovom slučaju vodena otopina podvrgava elektrolizi, teoretski, molekule vode mogu sudjelovati u elektrolizi. Pošto se cink nalazi u nizu aktivnosti između Al i H, to znači da će se na katodi dogoditi i redukcija kationa cinka i molekula vode.
2H 2 O + 2e - \u003d 2OH - + H 2
Zn 2+ + 2e − = Zn 0
Kloridni ion je kiseli ostatak kiseline HCl bez kisika, stoga, u nadmetanju za oksidaciju na anodi, kloridni ioni "pobjeđuju" nad molekulima vode:
2Cl - - 2e - = Cl 2
U ovom konkretnom slučaju nemoguće je napisati ukupnu jednačinu elektrolize, jer je omjer između vodika i cinka koji se oslobađa na katodi nepoznat.
Primjer #3
Napišite jednačine za procese koji se dešavaju na katodi i anodi tokom elektrolize vodenog rastvora bakar nitrata, kao i opštu jednačinu elektrolize.
Bakar nitrat u rastvoru je u disociranom stanju:
Cu(NO 3) 2 \u003d Cu 2+ + 2NO 3 -
Bakar je u nizu aktivnosti desno od vodonika, odnosno kationi bakra će se reducirati na katodi:
Cu 2+ + 2e − = Cu 0
Nitratni jon NO 3 - je kiselinski ostatak koji sadrži kiseonik, što znači da oksidacijom na anodi, nitratni joni „gube“ u konkurenciji sa molekulima vode:
2H 2 O - 4e - \u003d O 2 + 4H +
Na ovaj način:
Katoda: Cu 2+ + 2e − = Cu 0 |∙2
2Cu 2+ + 2H 2 O = 2Cu 0 + O 2 + 4H +
Jednačina dobivena kao rezultat sabiranja je ionska jednačina elektrolize. Da biste dobili potpunu jednadžbu molekularne elektrolize, trebate dodati 4 nitratna iona na lijevu i desnu stranu rezultirajuće ionske jednadžbe kao protujone. Tada ćemo dobiti:
2Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O = 2Cu 0 + O 2 + 4HNO 3
Primjer #4
Napišite jednačine za procese koji se dešavaju na katodi i anodi tokom elektrolize vodenog rastvora kalijum acetata, kao i opštu jednačinu elektrolize.
Rješenje:
Kalijum acetat u vodenoj otopini disocira na kalijeve katione i acetat ione:
CH 3 COOK \u003d CH 3 COO − + K +
Kalijum je alkalni metal, tj. nalazi se u elektrohemijskom nizu napona na samom početku. To znači da njegovi katjoni ne mogu da se isprazne na katodi. Umjesto toga, molekuli vode će se obnoviti:
2H 2 O + 2e - \u003d 2OH - + H 2
Kao što je već spomenuto, kiseli ostaci karboksilnih kiselina "pobjeđuju" u nadmetanju za oksidaciju iz molekula vode na anodi:
2CH 3 COO - - 2e - \u003d CH 3 -CH 3 + 2CO 2
Dakle, zbrajanjem elektronske ravnoteže i dodavanjem dvije jednadžbe polureakcija na katodi i anodi, dobijamo:
Katoda: 2H 2 O + 2e − = 2OH − + H 2 |∙1
Anoda: 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
Dobili smo kompletnu jednačinu elektrolize u ionskom obliku. Dodavanjem dva kalijeva jona na lijevu i desnu stranu jednačine i dodavanjem protuiona, dobivamo kompletnu jednadžbu elektrolize u molekularnom obliku:
2H 2 O + 2CH 3 KUHANJE = 2KOH + H 2 + CH 3 -CH 3 + 2CO 2
Primjer #5
Napišite jednadžbe za procese koji se dešavaju na katodi i anodi tokom elektrolize vodenog rastvora sumporne kiseline, kao i opštu jednačinu elektrolize.
Sumporna kiselina disocira na vodikove katjone i sulfatne ione:
H 2 SO 4 \u003d 2H + + SO 4 2-
Kationi vodonika H+ će se reducirati na katodi, a molekule vode će se oksidirati na anodi, budući da su sulfatni joni kiseli ostaci koji sadrže kisik:
Katoda: 2N + + 2e − = H 2 |∙2
Anoda: 2H 2 O - 4e - = O 2 + 4H + |∙1
4H + + 2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2 + 4H +
Reduciranjem vodikovih jona u lijevoj i desnoj i lijevoj strani jednačine dobijamo jednačinu za elektrolizu vodenog rastvora sumporne kiseline:
2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2
Kao što se može vidjeti, elektroliza vodene otopine sumporne kiseline svodi se na elektrolizu vode.
Primjer #6
Napišite jednačine za procese koji se dešavaju na katodi i anodi tokom elektrolize vodenog rastvora natrijum hidroksida, kao i opštu jednačinu elektrolize.
Disocijacija natrijum hidroksida:
NaOH = Na + + OH -
Na katodi će se reducirati samo molekule vode, jer je natrijum visoko aktivan metal, a samo hidroksidni joni na anodi:
Katoda: 2H 2 O + 2e − = 2OH − + H 2 |∙2
Anoda: 4OH − − 4e − = O 2 + 2H 2 O |∙1
4H 2 O + 4OH - \u003d 4OH - + 2H 2 + O 2 + 2H 2 O
Smanjimo dvije molekule vode s lijeve i desne strane i 4 hidroksidna iona i dođemo do zaključka da se, kao iu slučaju sumporne kiseline, elektroliza vodene otopine natrijevog hidroksida svodi na elektrolizu vode.
