Vesinikkloriidhappe elektrolüüsi võrrand. Elektrolüüs
Lahuse elektrolüüs
ja sulasoolad (2 tundi)
Valikkursuse "Elektrokeemia" tunnid
Esimese tunni eesmärgid:
Esimene tunniplaan
1. Uuritud meetodite kordamine metallide saamiseks.
2. Uue materjali selgitus.
3. Ülesannete lahendamine G.E. Rudzitise, F.G. Feldmani õpikust "Keemia-9" (M .: Haridus, 2002), lk. 120, nr 1, 2.
4. Teadmiste assimilatsiooni kontrollimine testiülesannetel.
5. Aruanne elektrolüüsi rakendamise kohta.
Esimese tunni eesmärgid:õpetada koostama lahuste ja sulasoolade elektrolüüsi skeeme ning rakendama saadud teadmisi arvutusülesannete lahendamisel; jätkata õpiku, testimaterjalidega töötamise oskuste kujundamist; arutleda elektrolüüsi rakendamise üle rahvamajanduses.
ESIMESE TUNNI EDU
Õpitud meetodite kordamine metallide saamine vask(II)oksiidist vase saamise näitel.
Vastavate reaktsioonide võrrandite registreerimine:
Teine võimalus metallide saamiseks lahustest ja nende soolade sulamistest on elektrokeemiline, või elektrolüüs.
Elektrolüüs on redoksprotsess, mis toimub elektroodidel, kui elektrivool juhitakse läbi sula- või elektrolüüdilahuse..
Naatriumkloriidi sulandi elektrolüüs:
NaCl Na + + Cl – ;
katood (–) (Na +): Na + + e= Na 0,
anood (–) (Cl –): Cl – – e\u003d Cl 0, 2Cl 0 \u003d Cl 2;
2NaCl \u003d 2Na + Cl 2.
Naatriumkloriidi lahuse elektrolüüs:
NaCl Na + + Cl – ,
H2O H+ + OH-;
katood (–) (Na +; H +): H + + e= H0, 2H0 = H2
(2H 2O + 2 e\u003d H2 + 2OH -),
anood (+) (Cl - ; OH -): Cl - - e\u003d Cl 0, 2Cl 0 \u003d Cl 2;
2NaCl + 2H2O \u003d 2NaOH + Cl2 + H2.
Vask(II)nitraadi lahuse elektrolüüs:
Cu(NO 3) 2 Cu 2+ +
H2O H+ + OH-;
katood (–) (Cu 2+; H +): Cu 2+ + 2 e= Cu 0,
anood (+) (OH -): OH - - e=OH0,
4H 0 = 02 + 2H20;
2Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O \u003d 2Cu + O 2 + 4HNO 3.
Need kolm näidet näitavad, miks on kasulikum läbi viia elektrolüüsi kui muid metallide saamise meetodeid: saadakse metallid, hüdroksiidid, happed, gaasid.
Kirjutasime elektrolüüsi skeemid ja nüüd proovime kohe kirjutada elektrolüüsi võrrandid, ilma skeemidele viitamata, vaid kasutades ainult ioonide aktiivsuse skaalat:
Elektrolüüsi võrrandite näited:
2HgSO4 + 2H20 = 2Hg + O2 + 2H2SO4;
Na2S04 + 2H2O = Na2S04 + 2H2 + O2;
2LiCl + 2H2O \u003d 2LiOH + H2 + Cl2.
Probleemi lahendamine G.E.Rudzitise ja F.G.Feldmani õpikust (9.klass, lk 120, nr 1, 2).
Ülesanne 1. Vask(II)kloriidi lahuse elektrolüüsil suurenes katoodi mass 8 g.Milline gaas eraldus, kui suur on selle mass?
Lahendus
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,
m(Cl 2) \u003d 0,125 71 \u003d 8,875 g.
Vastus. Gaasiks on kloor massiga 8,875 g.
2. ülesanne. Hõbenitraadi vesilahuse elektrolüüsi käigus eraldus 5,6 liitrit gaasi. Mitu grammi metalli sadestub katoodile?
Lahendus
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,
m(Ag) \u003d 1 107 \u003d 107 g.
Vastus. 107 g hõbedat.
Testimine
valik 1
1. Kaaliumhüdroksiidi lahuse elektrolüüsil katoodil eraldub:
a) vesinik; b) hapnik; c) kaalium.
2. Vask(II)sulfaadi lahuse elektrolüüsil lahuses moodustub:
a) vask(II)hüdroksiid;
b) väävelhape;
3. Baariumkloriidi lahuse elektrolüüsil anoodil eraldub:
a) vesinik; b) kloor; c) hapnik.
4. Alumiiniumkloriidi sulandi elektrolüüsi käigus eraldub katoodil:
a) alumiinium; b) kloor;
c) elektrolüüs on võimatu.
5. Hõbenitraadi lahuse elektrolüüs toimub vastavalt järgmisele skeemile:
a) AgNO3 + H2O Ag + H2 + HNO3;
b) AgNO3 + H2O Ag + O2 + HNO3;
c) AgNO 3 + H 2 O AgNO 3 + H 2 + O 2.
2. variant
1. Naatriumhüdroksiidi lahuse elektrolüüsi ajal anoodil eraldub:
a) naatrium; b) hapnik; c) vesinik.
2. Naatriumsulfiidi lahuse elektrolüüsil lahuses moodustub:
a) vesinikväävelhape;
b) naatriumhüdroksiid;
3. Elavhõbe(II)kloriidi sulami elektrolüüsi käigus eraldub katoodil:
a) elavhõbe; b) kloor; c) elektrolüüs on võimatu.
4.
5. Elavhõbe(II)nitraadi lahuse elektrolüüs toimub vastavalt järgmisele skeemile:
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.
3. võimalus
1. Vask(II)nitraadi lahuse elektrolüüsil eraldub katoodil:
a) vask; b) hapnik; c) vesinik.
2. Liitiumbromiidi lahuse elektrolüüsil lahuses moodustub:
b) vesinikbromiidhape;
c) liitiumhüdroksiid.
3. Hõbekloriidi sulandi elektrolüüsi käigus eraldub katoodil:
a) hõbe; b) kloor; c) elektrolüüs on võimatu.
4. Alumiiniumkloriidi lahuse elektrolüüsi käigus eraldub alumiinium:
a) katood; b) anood; c) jääb lahusesse.
5. Baariumbromiidi lahuse elektrolüüs toimub vastavalt järgmisele skeemile:
a) BaBr2 + H2O Br2 + H2 + Ba (OH) 2;
b) BaBr2 + H2O Br2 + Ba + H2O;
c) BaBr 2 + H 2 O Br 2 + O 2 + Ba (OH) 2.
4. võimalus
1. Baariumhüdroksiidi lahuse elektrolüüsil anoodil eraldub:
a) vesinik; b) hapnik; c) baarium.
2. Kaaliumjodiidi lahuse elektrolüüsil lahuses moodustub:
a) vesinikjodiidhape;
b) vesi; c) kaaliumhüdroksiid.
3. Plii (II) kloriidi sulami elektrolüüsil eraldub katoodil:
a) plii; b) kloor; c) elektrolüüs on võimatu.
4. Katoodil hõbenitraadi lahuse elektrolüüsi käigus eraldub:
a) hõbe; b) vesinik; c) hapnik.
5. Naatriumsulfiidi lahuse elektrolüüs toimub vastavalt järgmisele skeemile:
a) Na2S + H2OS + H2 + NaOH;
b) Na2S + H2OH2 + O2 + Na2S;
c) Na 2 S + H 2 O H 2 + Na 2 S + NaOH.
Vastused
| Võimalus | küsimus 1 | 2. küsimus | 3. küsimus | 4. küsimus | 5. küsimus |
| 1 | a | b | b | a | b |
| 2 | b | b | a | a | b |
| 3 | a | sisse | a | sisse | a |
| 4 | b | sisse | a | a | a |
Elektrolüüsi kasutamine rahvamajanduses
1. Metalltoodete kaitsmiseks korrosiooni eest kantakse nende pinnale õhuke kiht teist metalli: kroomi, hõbedat, kulda, niklit jne. Mõnikord, et mitte kulutada kalleid metalle, toodetakse mitmekihilist katet. Näiteks auto välisosad kaetakse esmalt õhukese vasekihiga, vase peale õhuke niklit ja kroomikiht.
Metallile elektrolüüsi teel katete pealekandmisel saadakse need ühtlase paksusega ja vastupidavad. Nii saate katta mis tahes kujuga tooteid. Seda rakendusliku elektrokeemia haru nimetatakse galvaniseerimine.
2. Lisaks korrosioonikaitsele annavad galvaanilised pinnakatted toodetele kauni dekoratiivse välimuse.
3. Teist elektrokeemia haru, mis on põhimõtteliselt lähedane galvaniseerimisele, nimetatakse galvaniseerimiseks. See on erinevate üksuste täpsete koopiate hankimise protsess. Selleks kaetakse objekt vahaga ja saadakse maatriks. Kõik maatriksi kopeeritud objekti süvendid on punnis. Vahamaatriksi pind on kaetud õhukese grafiidikihiga, muutes selle elektrit juhtivaks.
Saadud grafiitelektrood kastetakse vasksulfaadi lahuse vanni. Anood on vask. Elektrolüüsi käigus vase anood lahustub ja vask sadestub grafiitkatoodile. Seega saadakse täpne vaskkoopia.
Elektroformimise abil valmistatakse klišeesid trükkimiseks, grammofoniplaate, metalliseeritakse erinevaid esemeid. Galvanoplastika avastas vene teadlane B.S. Jacobi (1838).
Plaadivormide valmistamine hõlmab õhukese hõbedakihi kandmist plastplaadile, et muuta see elektrit juhtivaks. Seejärel kantakse plaadile elektrolüütiline nikkelkate.
Mida tuleks teha plaadi valmistamiseks elektrolüütilises vannis - anood või katood?
(Et. Katoodi kohta.)
4. Elektrolüüsi kasutatakse paljude metallide saamiseks: leelis, leelismuldmuld, alumiinium, lantaniidid jne.
5. Mõne metalli puhastamiseks lisanditest ühendatakse anoodiga metall koos lisanditega. Metall lahustub elektrolüüsiprotsessi käigus ja sadestub metallkatoodile, samas kui lisand jääb lahusesse.
6. Elektrolüüsi kasutatakse laialdaselt keerukate ainete (leelised, hapnikku sisaldavad happed), halogeenide saamiseks.
Praktiline töö(teine õppetund)
Tunni eesmärgid. Viige läbi vee elektrolüüsi, näidake galvaniseerimist praktikas, kinnistage esimeses õppetunnis saadud teadmisi.
Varustus.Õpilaste laudadel: tühi aku, kaks klemmidega juhet, kaks grafiitelektroodi, keeduklaas, katseklaasid, kahe jalaga statiiv, 3% naatriumsulfaadi lahus, piirituslamp, tikud, taskulamp.
Õpetaja laual: sama + vasksulfaadi lahus, messingvõti, vasktoru (vasetükk).
Õpilaste briifing
1. Kinnitage juhtmed klemmidega elektroodide külge.
2. Asetage elektroodid klaasi nii, et need ei puutuks kokku.
3. Valage elektrolüüdi lahus (naatriumsulfaat) keeduklaasi.
4. Valage katseklaasidesse vesi ja pange need tagurpidi elektrolüüdiga klaasi, asetage need ükshaaval grafiitelektroodidele, kinnitades katseklaasi ülemise serva statiivi jalas.
5. Pärast seadme paigaldamist kinnitage juhtmete otsad aku külge.
6. Jälgige gaasimullide teket: anoodil eraldub neid vähem kui katoodil. Pärast seda, kui peaaegu kogu vesi ühes katseklaasis on eraldunud gaasiga tõrjutud ja teises pooleks, eemaldage juhtmed akust.
7. Süütage piirituslamp, eemaldage ettevaatlikult katseklaas, kus vesi on peaaegu täielikult välja tõrjutud, ja viige see piirituslambi juurde – kostub iseloomulik gaasipauk.
8. Süütage tõrvik. Eemaldage teine katseklaas, kontrollige hõõguva gaasilahutusega.
Ülesanded õpilastele
1. Visandage seade.
2. Kirjutage vee elektrolüüsi võrrand ja selgitage, miks oli vaja elektrolüüsi läbi viia naatriumsulfaadi lahuses.
3. Kirjutage reaktsioonivõrrandid, mis kajastavad gaaside eraldumist elektroodidele.
Õpetaja näidiskatse
(võivad esitada klassi parimad õpilased
sobiva varustusega)
1. Ühendage juhtmeklemmid vasktoru ja messingvõtmega.
2. Langetage toru ja võti vask(II)sulfaadi lahusega keeduklaasi.
3. Ühendage juhtmete teised otsad akuga: aku "miinus" vasktoru külge, "pluss" võtmega!
4. Jälgige vase vabanemist võtme pinnal.
5. Pärast katse läbiviimist ühendage esmalt aku klemmid lahti, seejärel eemaldage võti lahusest.
6. Lahutage elektrolüüsiahel lahustuva elektroodiga:
CuSO 4 \u003d Cu 2+ +
anood (+): Сu 0–2 e\u003d Cu 2+,
katood (–): Cu 2+ + 2 e= Сu 0.
Lahustuva anoodiga elektrolüüsi üldist võrrandit ei saa kirjutada.
Elektrolüüs viidi läbi vask(II)sulfaadi lahuses, kuna:
a) elektrivoolu voolamiseks on vaja elektrolüüdilahust, tk. vesi on nõrk elektrolüüt;
b) ei eraldu reaktsioonide kõrvalsaadusi, vaid ainult vask katoodil.
7. Mineviku kinnistamiseks kirjutage skeem tsinkkloriidi elektrolüüsiks süsinikelektroodidega:
ZnCl 2 \u003d Zn 2+ + 2Cl -,
katood (–): Zn 2+ + 2 e= Zn0,
2H2O+2 e\u003d H2 + 2OH -,
anood (+): 2Cl – – 2 e=Cl2.
Üldist reaktsioonivõrrandit ei saa sel juhul kirjutada, sest pole teada, milline osa elektri koguhulgast läheb vee ja milline - tsingiioonide vähendamiseks.
 |
Näidiskatse skeem |
Kodutöö
1. Koostage võrrand vask(II)nitraadi ja hõbenitraadi segu sisaldava lahuse elektrolüüsiks inertsete elektroodidega.
2. Kirjutage naatriumhüdroksiidi lahuse elektrolüüsi võrrand.
3. Vaskmündi puhastamiseks tuleb see riputada aku miinuspoolusega ühendatud vasktraadi külge ja langetada 2,5% NaOH lahusesse, kuhu tuleks kasta ka aku positiivse poolusega ühendatud grafiitelektrood. . Selgitage, kuidas münt puhtaks saab. ( Vastus. Katoodil redutseeritakse vesinikioone:
2H++2 e\u003d H 2.
Vesinik reageerib mündi pinnal oleva vaskoksiidiga:
CuO + H2 \u003d Cu + H2O.
See meetod on parem kui pulberpuhastus, sest. münti ei kustutata.)
Vesilahuste elektrolüüsi käsitlemisel tuleb meeles pidada, et lisaks elektrolüütide ioonidele on igas vesilahuses ka ioone, mis on vee H + ja OH - dissotsiatsiooni produktid.
Elektriväljas liiguvad vesiniku ioonid katoodi poole ja OH ioonid anoodi poole. Seega saab katoodil tühjendada nii elektrolüüdi katioone kui ka vesiniku katioone. Samamoodi saab anoodilt tühjendada nii elektrolüüdi anioone kui ka hüdroksiidioone. Lisaks võivad veemolekulid läbida ka elektrokeemilist oksüdatsiooni või redutseerimist.
Millised elektrokeemilised protsessid elektrolüüsi ajal elektroodidel toimuvad, sõltuvad eelkõige vastavate elektrokeemiliste süsteemide elektroodide potentsiaalide suhtelistest väärtustest. Mitmest võimalikust protsessist läheb edasi see, mille energiakulu on minimaalne. See tähendab, et suurima elektroodipotentsiaaliga elektrokeemiliste süsteemide oksüdeeritud vormid redutseeritakse katoodil, samas kui madalaima elektroodipotentsiaaliga süsteemide redutseeritud vormid oksüdeeritakse anoodil. Üldjuhul oksüdeeruvad anoodil kergemini need aatomid, molekulid ja ioonid, mille potentsiaal on antud tingimustes kõige madalam, ning katoodil taanduvad kergemini need ioonid, molekulid, aatomid, mille potentsiaal on kõige suurem. Vaatleme soolade vesilahuste elektrolüüsil toimuvaid katoodprotsesse. Siin on vaja arvestada vesinikioonide redutseerimisprotsessi elektroodipotentsiaali suurust, mis sõltub vesinikioonide kontsentratsioonist. Teame vesinikelektroodi elektroodipotentsiaali üldvõrrandit (jaotis 2.3).
Neutraalsete lahuste (pH=7) korral on vesinikioonide redutseerimisprotsessi elektroodipotentsiaali väärtus
|
φ = –0,059 . 7 = -0,41 V. |
1) metalli katioone sisaldavate soolalahuste elektrolüüsil, mille elektroodi potentsiaal on palju positiivsem kui –0,41 V, redutseerub metall sellise elektrolüüdi neutraalsest lahusest katoodil. Sellised metallid on pingereas vesiniku lähedal (alates ligikaudu tinast ja pärast seda);
2) metalli katioone sisaldavate soolalahuste elektrolüüsil, mille elektroodi potentsiaal on palju negatiivsem kui -0,41 V, ei taandu katoodil metall, vaid eraldub vesinik. Selliste metallide hulka kuuluvad leelis, leelismuldmuld, magneesium, alumiinium, kuni ligikaudu titaan;
3) metalli katioone sisaldavate soolalahuste elektrolüüsil, mille elektroodide potentsiaal on -0,41 V lähedal (rea keskmise osa metallid - Zn, Cr, Fe, Cd, Ni), siis sõltuvalt kontsentratsioonist soolalahusest ja elektrolüüsi tingimustest (voolutihedus, temperatuur, lahuse koostis) on võimalik nii metalli redutseerimine kui ka vesiniku eraldumine; mõnikord toimub metalli ja vesiniku ühine vabanemine.
Vesiniku elektrokeemiline vabanemine happelistest lahustest toimub vesinikioonide tühjenemise tõttu:
2H + 2° → 2H 0
2H 0 = H 2 .
Neutraalse või aluselise keskkonna korral toimub vesiniku eraldumine vee elektrokeemilise redutseerimise tulemusena:
HOH + ē → H 0 + oh –
H 0 + H 0 = H 2 ,
|
siis 2HON + 2ē → H 2 + 2OH – |
Seega määrab vesilahuste elektrolüüsil toimuva katoodprotsessi olemuse eelkõige vastava metalli asukoht metallide standardsete elektroodide potentsiaalide reas.
Kui erinevate metallide katioone sisaldav vesilahus allutatakse elektrolüüsile, toimub nende vabanemine katoodil reeglina metalli elektroodipotentsiaali algebralise väärtuse vähenemise järjekorras. Näiteks katioonide Ag +, Cu 2+ ja Zn 2+ segust, mille elektrolüsaatori klemmides on piisav pinge, hõbekatioonid (φ 0 \u003d +0,8 V), seejärel vask (φ 0 \u003d +0,34 V ) ja lõpuks tsink (φ 0 \u003d -0,76 V).
Metallide elektrokeemilist eraldamist katioonide segust kasutatakse tehnikas ja kvantitatiivses analüüsis. Üldiselt määrab metalliioonide tühjenemise (elektronide vastuvõtmise) võime metallide asukoha järgi standardsete elektroodipotentsiaalide seerias. Mida vasakul on metall pingereas, seda suurem on selle negatiivne potentsiaal või vähem positiivne potentsiaal, seda raskem on selle ioonidel tühjeneda. Niisiis tühjenevad pingereas metalliioonidest kõige kergemini kolmevalentsed kullaioonid (elektrivoolu madalaima pinge juures), seejärel hõbeioonid jne. Kõige keerulisem (elektrivoolu kõrgeima pinge juures) on kaaliumioonide tühjendamine. Kuid metalli potentsiaali väärtus, nagu on teada, varieerub sõltuvalt selle ioonide kontsentratsioonist lahuses; samamoodi varieerub iga metalli ioonide tühjendamise lihtsus sõltuvalt nende kontsentratsioonist: kontsentratsiooni suurenemine hõlbustab ioonide tühjenemist, vähenemine raskendab. Seetõttu võib mitme metalli ioone sisaldava lahuse elektrolüüsil juhtuda, et aktiivsema metalli vabanemine toimub varem kui vähemaktiivse (kui esimese metalliiooni kontsentratsioon on märkimisväärne ja teine on väga madal).
Vaatleme soolade vesilahuste elektrolüüsil toimuvaid anoodseid protsesse. Anoodil toimuvate reaktsioonide iseloom sõltub nii veemolekulide olemasolust kui ka ainest, millest anoodi valmistatakse. Tuleb meeles pidada, et anoodimaterjal võib elektrolüüsi käigus oksüdeeruda. Sellega seoses eristatakse elektrolüüsi inertse (lahustumatu) anoodiga ja elektrolüüsi aktiivse (lahustuva) anoodiga. Lahustumatud anoodid on valmistatud kivisöest, grafiidist, plaatinast, iriidiumist; lahustuvad anoodid - vasest, hõbedast, tsingist, kaadmiumist, niklist ja muudest metallidest. Lahustumatul anoodil oksüdeeritakse elektrolüüsi ajal anioonid või veemolekulid. Hapnikuvabade hapete HI, HBr, HCl, H 2 S ja nende soolade (v.a HF ja fluoriidid) vesilahuste elektrolüüsil eralduvad anoodil anioonid ja vabaneb vastav halogeen. Pange tähele, et kloori eraldumine HCl ja selle soolade elektrolüüsil on vastuolus süsteemide vastastikuse positsiooniga
2Cl – – 2ē →Cl 2 (φ 0 = +1,36 V)
2 H 2 O– 4ē →O 2 + 4 H + (φ 0 = +1,23 V)
standardsete elektroodipotentsiaalide seerias. See anomaalia on seotud nende kahe elektroodiprotsessi teise olulise ülepingega – anoodimaterjalil on hapniku eraldumise protsessile pärssiv toime.
Anioone SO 4 2-, SO 3 2-, NO 3 -, PO 4 3- jne, samuti vesinikfluoriidi ja fluoriide sisaldavate soolade vesilahuste elektrolüüsil toimub vee elektrokeemiline oksüdeerumine. Sõltuvalt lahuse pH-st kulgeb see protsess erinevalt ja selle saab kirjutada erinevatesse võrranditesse. Leeliselises keskkonnas on võrrandil vorm
4OH – – 4° → 2H 2 O+O 2 , (pH > 7)
ja happelises või neutraalses keskkonnas on meil
HOH– 2ē →O 0 + 2 H + (pH ≤ 7)
2 O 0 = O 2 ,
|
siis 2H 2 О – 4ē → 4Н + + 2O 2 . |
Vaadeldavatel juhtudel on vee elektrokeemiline oksüdeerimine energeetiliselt kõige soodsam protsess. Hapnikku sisaldavate anioonide oksüdatsioon toimub väga kõrge potentsiaaliga. Näiteks SO 4 2- iooni - 2ē → S 2 O 8 2- standardne oksüdatsioonipotentsiaal on 2,01 V, mis ületab oluliselt vee standardset oksüdatsioonipotentsiaali 1,228 V.
2H 2 O - 4ē → O 2 + 4H + (φ 0 = 1,228 V).
Ioonide standardne oksüdatsioonipotentsiaal F - on veelgi olulisem
2F – – 2ē →F 2 (φ 0 = 2 ,87 AT).
Üldiselt lähenevad soolade vesilahuste elektrolüüsi ajal metalli- ja vesiniku katioonid samaaegselt elektrolüsaatori katoodile, samas kui igaüks neist "väidab" olevat vähenenud katoodilt tulevate elektronide tõttu. Kuidas redutseerimisprotsess katoodil tegelikult kulgeb? Vastuse saab mitmete metallide pingete põhjal. Sel juhul, mida väiksem on metalli standardse elektroodipotentsiaali algebraline väärtus, seda nõrgemad on elektroniaktseptorid nende katioonid ja seda keerulisem on neid katoodil redutseerida. Sellega seoses eristatakse kolme katioonide rühma vastavalt nende seosele elektroreduktsiooniga.
1. Katioonid, mida iseloomustab suur elektronide äratõmbamise aktiivsus (Cu 2+, Hg 2+, Ag+, Au 3+, Pt 2+, Pt 4+). Nende katioonide soolade elektrolüüsi ajal toimub metallikatioonide peaaegu täielik redutseerimine; voolu väljund 100% või selle lähedal.
2. Katioonid, mida iseloomustavad elektronide äratõmbamisvõime keskmised väärtused (Mn 2+, Zn 2+, Cr 3+, Fe 2+, Ni 2+, Sn 2+, Pb 2+). Katoodil elektrolüüsi ajal redutseeritakse samaaegselt nii metalli- kui ka veemolekulide katioone, mis viib metalli voolutõhususe vähenemiseni.
3. Katioonid, millel on madal elektronide tagasitõmbamisvõime (K +, Ca 2+, Mg 2+, Al 3+). Sel juhul ei ole katoodi elektronaktseptorid vaadeldava rühma katioonid, vaid veemolekulid. Sel juhul jäävad katioonid ise vesilahuses muutumatuks ja voolu efektiivsus läheneb nullile.
Erinevate anioonide ja elektrooksüdatsiooni suhe anoodil
Hapnikuvabade hapete anioonid ja nende soolad (Cl ¯, Br ¯, J ¯, S 2-, CN¯ jne) hoiavad oma elektrone nõrgemalt kui veemolekul. Seetõttu täidavad viimased neid anioone sisaldavate ühendite vesilahuste elektrolüüsi ajal elektronide doonorite rolli, nad oksüdeeruvad ja kannavad oma elektronid elektrolüütilise raku välisringi.
Hapnikhapete anioonid (NO 3 ¯, SO 4 2-, PO 4 3- jne) suudavad hoida oma elektrone kindlamalt kui veemolekulid. Sel juhul oksüdeerub vesi anoodil, samas kui anioonid ise jäävad muutumatuks.
Lahustuva anoodi korral suureneb oksüdatiivsete protsesside arv kolmeni:
1) vee elektrokeemiline oksüdeerimine hapniku vabanemisega; 2) anioonilahendus (st selle oksüdatsioon); 3) anoodi metalli elektrokeemiline oksüdeerimine (metalli anoodne lahustamine).
Võimalikest protsessidest leiab aset see, mis on energeetiliselt soodsaim. Kui anoodmetall paikneb standardsete potentsiaalide seerias varem kui mõlemad teised elektrokeemilised süsteemid, siis täheldatakse metalli anoodset lahustumist. Vastasel juhul toimub hapniku eraldumine või anioonilahendus. Anioonide väljutamiseks ei ole kindlaks tehtud lähedast järjestust. Vähendades elektronide loovutamise võimet, järjestatakse levinumad anioonid järgmiselt: S 2-, J ¯, Br ¯, Cl ¯, OH¯, H 2 O, SO 4 2-, NO 3 ¯, CO 3 2- , PO 4 3- .
Vaatleme mitut tüüpilist vesilahuste elektrolüüsi juhtumit.
CuCl 2 lahuse elektrolüüs lahustumatu anoodiga
Pingete seerias asub vask pärast vesinikku, nii et katoodil tühjendub Cu 2+ ja vabaneb metalliline vask ning anoodil oksüdeeritakse kloriidiioonid molekulaarseks klooriks Cl 2.
|
Katood (-) |
|
|
Cu 2+ + 2ē → Cu 0 |
|
|
2Cl – – 2ē → Cl 2 |
Cu 2+ + 2 Cl – → Cu 0 +Cl 2
CuCl 2 → Cu 0 +Cl 2
Metallist vooluväljund (95-100%).
NaNO 3 lahuse elektrolüüs
Kuna naatrium pingereas on palju varasem kui vesinik, siis katoodil tühjendub vesi. Anoodil lastakse ka vett välja.
|
Katood (-) |
|
2 H 2 O+ 2ē →H 2 + 2 Oh – |
|
2H 2 O–4ē → 4H + +O 2 . |
Seega eraldub katoodil vesinik ja tekib aluseline keskkond, anoodil hapnik ja anoodi lähedusse tekib happeline keskkond. Kui anoodi- ja katoodiruumid ei ole üksteisest eraldatud, jääb lahendus kõigis oma osades elektriliselt neutraalseks.
|
Katood (-) |
|
|
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
Metalli praegune väljund on null.
Seetõttu toimub NaNO 3 lahuse elektrolüüsi ajal vee elektrolüüs. NaNO 3 soola roll väheneb lahuse elektrijuhtivuse suurenemiseni.
FeSO 4 lahuse elektrolüüs
Katoodi reaktsioonid (-) (reduktsioon):
|
a) Fe 2+ + 2ē → Fe 0 |
samaaegsed reaktsioonid |
|
b) 2 H 2 O+ 2ē →H 2 + 2 Oh – . |
Reaktsioon anoodil (+) (oksüdatsioon):
2H 2 O–4ē → 4H + +O 2 .
Metalli praegune väljund on keskmine.
KJ lahuse elektrolüüs lahustumatu anoodiga
|
Katood (-) |
|
|
2 H 2 O+ 2ē →H 2 + 2 Oh – |
|
|
2J – – 2ē → J 2 |
2 H 2 O + 2J – → H 2 + 2 Oh – + J 2 .
Lahuse KJ elektrolüüsi lõplik reaktsioonivõrrand:
2KJ+2H 2 O→H 2 + J 2 + 2KOH.
CuSO 4 lahuse elektrolüüs vase (lahustuva) anoodiga.
Vase standardpotentsiaal on +0,337 V, mis on palju suurem kui -0,41 V; seetõttu toimub CuSO 4 lahuse elektrolüüsil katoodil Cu 2+ ioonide tühjenemine ja vabaneb metalliline vask. Anoodil toimub vastupidine protsess - metalli oksüdatsioon, kuna vase potentsiaal on palju väiksem kui vee oksüdatsioonipotentsiaal (+1,228 V) ja veelgi enam - SO 4 2-iooni oksüdatsioonipotentsiaal ( +2,01 V). Järelikult taandub elektrolüüs sel juhul anoodi metalli (vase) lahustumiseni ja selle eraldumiseni katoodil.
Vasksulfaadi lahuse elektrolüüsi skeem:
|
Katood (-) |
|
Cu 2+ + 2ē → Cu 0 |
|
Cu 0 – 2ē → Cu 2+ . |
Seda protsessi kasutatakse metallide elektriliseks rafineerimiseks (nn elektrolüütiline rafineerimine).
Mis on elektrolüüs? Sellele küsimusele vastuse lihtsamaks mõistmiseks kujutame ette mis tahes alalisvoolu allikat. Iga alalisvooluallika jaoks saate alati leida positiivse ja negatiivse pooluse:
Ühendagem sellega kaks keemiliselt vastupidavat elektrit juhtivat plaati, mida me nimetame elektroodideks. Positiivse poolusega ühendatud plaati nimetatakse anoodiks ja negatiivse poolusega katoodiks:
Naatriumkloriid on elektrolüüt; sulamisel dissotsieerub see naatriumkatioonideks ja kloriidioonideks:
NaCl \u003d Na + + Cl -
On ilmne, et negatiivselt laetud kloorianioonid lähevad positiivselt laetud elektroodile - anoodile ja positiivselt laetud Na + katioonid negatiivselt laetud elektroodile - katoodile. Selle tulemusena eralduvad nii Na + katioonid kui ka Cl - anioonid, see tähendab, et neist saavad neutraalsed aatomid. Tühjenemine toimub Na + ioonide puhul elektronide omandamise ja Cl − ioonide puhul elektronide kadumise kaudu. See tähendab, et protsess toimub katoodil:
Na + + 1e - = Na 0 ,
Ja anoodil:
Cl − − 1e − = Cl
Kuna igal klooriaatomil on paardumata elektron, on nende üksik olemasolu ebasoodne ja klooriaatomid ühinevad kahe klooriaatomi molekuliks:
Сl∙ + ∙Cl \u003d Cl 2
Seega on anoodil toimuv protsess kokkuvõttes korrektsemalt kirjutatud järgmiselt:
2Cl - - 2e - = Cl 2
See tähendab, et meil on:
Katood: Na + + 1e − = Na 0
Anood: 2Cl - - 2e - = Cl 2
Võtame elektroonilise bilansi kokku:
Na + + 1e − = Na 0 |∙2
2Cl − − 2e − = Cl 2 |∙1<
Lisage mõlema võrrandi vasak ja parem pool poolreaktsioonid, saame:
2Na + + 2e - + 2Cl - - 2e - = 2Na 0 + Cl 2
Redutseerime kahte elektroni samamoodi nagu algebras, saame elektrolüüsi ioonvõrrandi:
2NaCl (l.) => 2Na + Cl 2
Teoreetilisest vaatenurgast on ülaltoodud juhtum kõige lihtsam, kuna naatriumkloriidi sulatis olid positiivselt laetud ioonide hulgas ainult naatriumioonid ja negatiivsete hulgas ainult kloorianioonid.
Teisisõnu, ei Na + katioonidel ega Cl - anioonidel polnud katoodi ja anoodi jaoks "konkurente".
Ja mis saab näiteks siis, kui naatriumkloriidi sulamise asemel lastakse selle vesilahusest läbi vool? Sel juhul täheldatakse ka naatriumkloriidi dissotsiatsiooni, kuid metallilise naatriumi moodustumine vesilahuses muutub võimatuks. Me ju teame, et leelismetallide esindaja naatrium on äärmiselt aktiivne metall, mis reageerib veega väga ägedalt. Kui naatriumi sellistes tingimustes redutseerida ei saa, siis mida katoodil redutseeritakse?
Meenutagem veemolekuli ehitust. See on dipool, see tähendab, et sellel on negatiivne ja positiivne poolus:
Selle omaduse tõttu on see võimeline "ümber kleepima" nii katoodi pinna kui ka anoodi pinna:
Võib toimuda järgmised protsessid:
2H 2O + 2e - \u003d 2OH - + H2
2H 2O - 4e - \u003d O 2 + 4H+
Seega selgub, et kui vaadelda mis tahes elektrolüüdi lahust, siis näeme, et elektrolüüdi dissotsiatsiooni käigus tekkinud katioonid ja anioonid konkureerivad veemolekulidega redutseerimisel katoodil ja oksüdatsioonil anoodil.
Millised protsessid toimuvad katoodil ja anoodil? Elektrolüüdi dissotsiatsiooni või veemolekulide oksüdatsiooni/redutseerimise käigus tekkinud ioonide tühjenemine? Või võib-olla toimuvad kõik need protsessid korraga?
Sõltuvalt elektrolüüdi tüübist on selle vesilahuse elektrolüüsi ajal võimalikud mitmesugused olukorrad. Näiteks leelise, leelismuldmetallide, alumiiniumi ja magneesiumi katioone ei ole lihtsalt võimalik veekeskkonnas redutseerida, kuna nende redutseerimisel oleks pidanud tekkima vastavalt leelis, leelismuldmetalli, alumiinium või magneesium. metallid, mis reageerivad veega.
Sel juhul on võimalik ainult veemolekulide redutseerimine katoodil.
Järgides järgmisi põhimõtteid, on võimalik meeles pidada, milline protsess toimub katoodil mis tahes elektrolüüdi lahuse elektrolüüsi ajal:
1) Kui elektrolüüt koosneb metallikatioonist, mis tavatingimustes vabas olekus reageerib veega, toimub katoodil järgmine protsess:
2H 2O + 2e - \u003d 2OH - + H2
See kehtib metallide kohta, mis on Al-aktiivsuse seeria alguses, kaasa arvatud.
2) Kui elektrolüüt koosneb metallikatioonist, mis vabal kujul ei reageeri veega, vaid reageerib mitteoksüdeerivate hapetega, toimub korraga kaks protsessi, nii metallikatioonide kui ka veemolekulide redutseerimine:
Me n+ + ne = Me 0
Nende metallide hulka kuuluvad aktiivsussarjas Al ja H vahel olevad metallid.
3) Kui elektrolüüt koosneb vesiniku katioonidest (hape) või metalli katioonidest, mis ei reageeri mitteoksüdeerivate hapetega, taastatakse ainult elektrolüüdi katioonid:
2H + + 2e - \u003d H2 - happe puhul
Me n + + ne = Me 0 - soola puhul
Anoodil on aga olukord järgmine:
1) Kui elektrolüüt sisaldab hapnikuvabade happejääkide anioone (v.a F -), siis nende oksüdatsiooniprotsess toimub anoodil, veemolekulid ei oksüdeeru. Näiteks:
2Cl - - 2e \u003d Cl 2
S 2- − 2e = S o
Fluoriioonid anoodil ei oksüdeeru, kuna fluor ei ole võimeline vesilahuses moodustuma (reageerib veega)
2) Kui elektrolüüt sisaldab hüdroksiidiioone (leeliseid), oksüdeeritakse need veemolekulide asemel:
4OH - - 4e - \u003d 2H 2O + O 2
3) Kui elektrolüüt sisaldab anoodil hapnikku sisaldavat happejääki (v.a orgaanilised happejäägid) või fluoriidiooni (F -), toimub veemolekulide oksüdeerumisprotsess:
2H 2O - 4e - \u003d O 2 + 4H+
4) Karboksüülhappe happelise jäägi korral anoodil toimub järgmine protsess:
2RCOO - - 2e - \u003d R-R + 2CO 2
Harjutame elektrolüüsi võrrandite kirjutamist erinevateks olukordadeks:
Näide nr 1
Kirjutage tsinkkloriidi sulatise elektrolüüsil katoodil ja anoodil toimuvate protsesside võrrandid ning üldine elektrolüüsi võrrand.
Lahendus
Tsinkkloriidi sulamisel dissotsieerub:
ZnCl 2 \u003d Zn 2+ + 2Cl -
Lisaks tuleb tähelepanu pöörata asjaolule, et elektrolüüsis toimub tsinkkloriidi sulam, mitte vesilahus. Teisisõnu, ilma lisavõimalusteta saab katoodil toimuda ainult tsingi katioonide redutseerimine ja anoodil kloriidioonide oksüdatsioon. veemolekule pole
Katood: Zn 2+ + 2e − = Zn 0 |∙1
Anood: 2Cl − − 2e − = Cl 2 |∙1
ZnCl 2 \u003d Zn + Cl 2
Näide nr 2
Kirjutage tsinkkloriidi vesilahuse elektrolüüsil katoodil ja anoodil toimuvate protsesside võrrandid ning üldine elektrolüüsi võrrand.
Kuna sel juhul elektrolüüsitakse vesilahust, siis teoreetiliselt võivad veemolekulid osaleda elektrolüüsis. Kuna tsink asub Al ja H vahelises aktiivsusreas, tähendab see, et katoodil toimub nii tsingi katioonide kui ka veemolekulide redutseerimine.
2H 2O + 2e - \u003d 2OH - + H2
Zn 2+ + 2e − = Zn 0
Kloriidioon on hapnikuvaba happe HCl happeline jääk, seetõttu võidavad anoodil oksüdeerumise konkurentsis kloriidioonid veemolekulide üle:
2Cl - - 2e - = Cl 2
Sel konkreetsel juhul on võimatu kirjutada üldist elektrolüüsi võrrandit, kuna katoodil eralduva vesiniku ja tsingi suhe pole teada.
Näide nr 3
Kirjutage vasknitraadi vesilahuse elektrolüüsil katoodil ja anoodil toimuvate protsesside võrrandid, samuti elektrolüüsi üldvõrrand.
Lahuses olev vasknitraat on dissotsieerunud olekus:
Cu(NO 3) 2 \u003d Cu 2+ + 2NO 3 -
Vask on vesinikust paremal aktiivsusreas, see tähendab, et katoodil redutseeritakse vaseketioonid:
Cu 2+ + 2e − = Cu 0
Nitraadiioon NO 3 - on hapnikku sisaldav happejääk, mis tähendab, et anoodil oksüdeerumisel "kaovad" nitraadiioonid konkureerides veemolekulidega:
2H 2O - 4e - \u003d O 2 + 4H+
Sellel viisil:
Katood: Cu 2+ + 2e − = Cu 0 |∙2
2Cu2+ + 2H2O = 2Cu0 + O2 + 4H+
Liitmise tulemusena saadud võrrand on elektrolüüsi ioonvõrrand. Täieliku molekulaarse elektrolüüsi võrrandi saamiseks peate saadud ioonvõrrandi vasakule ja paremale küljele vastasioonidena lisama 4 nitraadiiooni. Siis saame:
2Cu(NO3)2 + 2H2O = 2Cu0 + O2 + 4HNO3
Näide nr 4
Kirjutage kaaliumatsetaadi vesilahuse elektrolüüsil katoodil ja anoodil toimuvate protsesside võrrandid ning üldine elektrolüüsi võrrand.
Lahendus:
Kaaliumatsetaat vesilahuses dissotsieerub kaaliumi katioonideks ja atsetaadioonideks:
CH 3 COOK \u003d CH 3 COO − + K +
Kaalium on leelismetall, st. on alguses elektrokeemilises pingereas. See tähendab, et selle katioone ei saa katoodil tühjendada. Selle asemel taastatakse veemolekulid:
2H 2O + 2e - \u003d 2OH - + H2
Nagu eespool mainitud, "võidavad" karboksüülhapete happejäägid anoodil veemolekulidest oksüdeerumise konkurentsis:
2CH 3 COO - - 2e - \u003d CH 3 -CH 3 + 2CO 2
Seega, võttes kokku elektroonilise tasakaalu ja liites kaks poolreaktsiooni võrrandit katoodil ja anoodil, saame:
Katood: 2H 2 O + 2e − = 2OH − + H 2 |∙1
Anood: 2CH 3 COO - - 2e - \u003d CH 3 -CH 3 + 2CO 2 | ∙ 1
2H 2O + 2CH 3 COO - \u003d 2OH - + H2 + CH 3 -CH 3 + 2CO 2
Oleme saanud täieliku elektrolüüsi võrrandi ioonsel kujul. Lisades võrrandi vasakule ja paremale poolele kaks kaaliumiiooni ning liites need vastasioonidega, saame täieliku elektrolüüsi võrrandi molekulaarsel kujul:
2H 2O + 2CH 3 COOK \u003d 2KOH + H2 + CH 3 -CH 3 + 2CO 2
Näide nr 5
Kirjutage väävelhappe vesilahuse elektrolüüsil katoodil ja anoodil toimuvate protsesside võrrandid ning üldine elektrolüüsi võrrand.
Väävelhape dissotsieerub vesinikkatioonideks ja sulfaadioonideks:
H 2 SO 4 \u003d 2H + + SO 4 2-
Vesiniku katioonid H + redutseeritakse katoodil ja veemolekulid oksüdeeritakse anoodil, kuna sulfaadioonid on hapnikku sisaldavad happejäägid:
Katood: 2Н + + 2e − = H 2 |∙2
Anood: 2H 2O - 4e - = O 2 + 4H + |∙1
4H+ + 2H2O \u003d 2H2 + O2 + 4H+
Vähendades võrrandi vasakul ja paremal ja vasakul poolel olevaid vesinikuioone, saame väävelhappe vesilahuse elektrolüüsi võrrandi:
2H 2O = 2H2 + O 2
Nagu näha, taandub väävelhappe vesilahuse elektrolüüs vee elektrolüüsiks.
Näide nr 6
Kirjutage naatriumhüdroksiidi vesilahuse elektrolüüsil katoodil ja anoodil toimuvate protsesside võrrandid ning üldine elektrolüüsi võrrand.
Naatriumhüdroksiidi dissotsiatsioon:
NaOH = Na + + OH -
Katoodil redutseeritakse ainult veemolekulid, kuna naatrium on väga aktiivne metall ja anoodil ainult hüdroksiidioonid:
Katood: 2H 2 O + 2e − = 2OH − + H 2 |∙2
Anood: 4OH − − 4e − = O 2 + 2H 2 O |∙1
4H2O + 4OH - \u003d 4OH - + 2H2 + O2 + 2H2O
Redutseerime kaks veemolekuli vasakul ja paremal ning 4 hüdroksiidiooni ning jõuame järeldusele, et nagu väävelhappe puhul, taandatakse naatriumhüdroksiidi vesilahuse elektrolüüs vee elektrolüüsiks.
