Jednadžba elektrolize klorovodične kiseline. Elektroliza
Elektroliza otopine
i rastaljene soli (2 sata)
Nastava izbornog predmeta "Elektrokemija"
Ciljevi prve lekcije:
Plan prve lekcije
1. Ponavljanje proučenih metoda dobivanja metala.
2. Objašnjenje novog gradiva.
3. Rješavanje problema iz udžbenika G.E. Rudzitisa, F.G. Feldmana "Kemija-9" (M .: Obrazovanje, 2002), str. 120, br. 1, 2.
4. Provjera asimilacije znanja na ispitnim zadacima.
5. Izvještaj o primjeni elektrolize.
Ciljevi prve lekcije: naučiti pisati sheme elektrolize otopina i rastalina soli te primijeniti stečena znanja za rješavanje računskih problema; nastaviti formiranje vještina rada s udžbenikom, ispitnim materijalima; raspravljati o primjeni elektrolize u narodnom gospodarstvu.
NAPREDAK PRVE LEKCIJE
Ponavljanje naučenih metoda dobivanje metala na primjeru dobivanja bakra iz bakrova(II) oksida.
Snimanje jednadžbi odgovarajućih reakcija:
Drugi način dobivanja metala iz otopina i talina njihovih soli je elektrokemijski, ili elektroliza.
Elektroliza je redoks proces koji se odvija na elektrodama kada električna struja prolazi kroz talinu ili otopinu elektrolita..
Elektroliza taline natrijevog klorida:
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 otopine natrijeva klorida:
NaCl Na + + Cl – ,
H20 H + + OH -;
katoda (–) (Na +; H +): H + + e= H0, 2H0 = H2
(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 otopine bakrova(II) nitrata:
Cu(NO 3) 2 Cu 2+ +
H20 H + + OH -;
katoda (–) (Cu 2+; H +): Cu 2+ + 2 e= Cu 0,
anoda (+) (OH -): OH - - e=OH0,
4H0 \u003d O2 + 2H20;
2Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O \u003d 2Cu + O 2 + 4HNO 3.
Ova tri primjera pokazuju zašto je isplativije provoditi elektrolizu nego provoditi druge metode dobivanja metala: dobivaju se metali, hidroksidi, kiseline, plinovi.
Napisali smo sheme elektrolize, a sada ćemo pokušati odmah napisati jednadžbe elektrolize, bez pozivanja na sheme, već samo pomoću ljestvice aktivnosti iona:
Primjeri jednadžbi elektrolize:
2HgSO4 + 2H2O \u003d 2Hg + O2 + 2H2SO4;
Na2S04 + 2H20 \u003d Na2SO4 + 2H2 + O2;
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 otopine bakrova (II) klorida masa katode se povećala za 8 g. Koji se plin oslobodio, kolika mu je masa?
Riješenje
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.
Odgovor. Plin je klor mase 8,875 g.
Zadatak 2. Prilikom elektrolize vodene otopine srebrnog nitrata oslobodilo se 5,6 litara plina. Koliko se grama metala nataložilo na katodi?
Riješenje
4AgNO3 + 2H2O \u003d 4Ag + O2 + 4HNO3,
(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.
Odgovor. 107 g srebra.
Testiranje
opcija 1
1. Tijekom elektrolize otopine kalijevog hidroksida na katodi se oslobađa:
a) vodik; b) kisik; c) kalij.
2. Pri elektrolizi otopine bakrova(II) sulfata u otopini nastaje:
a) bakrov(II) hidroksid;
b) sumporna kiselina;
3. Tijekom elektrolize otopine barijevog klorida na anodi se oslobađa:
a) vodik; b) klor; c) kisik.
4. Tijekom elektrolize taline aluminijevog klorida na katodi se oslobađa:
a) aluminij; b) klor;
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) AgNO3 + H2O Ag + O2 + HNO3;
c) AgNO 3 + H 2 O AgNO 3 + H 2 + O 2.
opcija 2
1. Tijekom elektrolize otopine natrijevog hidroksida na anodi se oslobađa:
a) natrij; b) kisik; c) vodik.
2. Tijekom elektrolize otopine natrijeva sulfida u otopini nastaje:
a) sumporovodična kiselina;
b) natrijev hidroksid;
3. Tijekom elektrolize taline živinog(II) klorida na katodi se oslobađa:
a) živa; b) klor; 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. Tijekom elektrolize otopine bakrova (II) nitrata na katodi se oslobađa:
a) bakar; b) kisik; c) vodik.
2. Tijekom elektrolize otopine litijeva bromida u otopini nastaje:
b) bromovodična kiselina;
c) litijev hidroksid.
3. Tijekom elektrolize taline srebrnog klorida na katodi se oslobađa:
a) srebro; b) klor; c) elektroliza je nemoguća.
4. Tijekom elektrolize otopine aluminijevog klorida, aluminij se oslobađa u:
a) katoda; b) anoda; c) ostaje u otopini.
5. Elektroliza otopine barijevog bromida odvija se prema sljedećoj shemi:
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.
Opcija 4
1. Tijekom elektrolize otopine barijevog hidroksida na anodi se oslobađa:
a) vodik; b) kisik; c) barij.
2. Pri elektrolizi otopine kalijevog jodida u otopini nastaje:
a) jodovodična kiselina;
b) voda; c) kalijev hidroksid.
3. Tijekom elektrolize taline olovo (II) klorida na katodi se oslobađa:
a) olovo; b) klor; c) elektroliza je nemoguća.
4. Tijekom elektrolize otopine srebrnog nitrata na katodi se oslobađa:
a) srebro; b) vodik; c) kisik.
5. Elektroliza otopine natrijeva sulfida odvija se prema sljedećoj shemi:
a) Na2S + H2OS + H2 + NaOH;
b) Na2S + H20 H2 + O2 + Na2S;
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 | u | a | u | a |
| 4 | b | u | a | a | a |
Primjena elektrolize u narodnom gospodarstvu
1. Za zaštitu metalnih proizvoda od korozije na njihovu se površinu nanosi tanak sloj drugog metala: kroma, srebra, zlata, nikla itd. Ponekad, kako ne bi trošili skupe metale, proizvodi se višeslojni premaz. Na primjer, vanjski dijelovi automobila prvo se prekrivaju tankim slojem bakra, na bakar se nanosi tanki sloj nikla, a na njega sloj kroma.
Pri nanošenju premaza na metal elektrolizom dobivaju se ujednačene debljine i izdržljivi. Na taj način možete prekriti proizvode bilo kojeg oblika. Ova grana primijenjene elektrokemije naziva se galvanizacija.
2. Osim zaštite od korozije, galvanske prevlake daju lijep dekorativni izgled proizvodima.
3. Druga grana elektrokemije, načelno bliska galvanizaciji, naziva se galvanizacija. Ovo je postupak dobivanja točnih kopija raznih predmeta. Da biste to učinili, predmet je prekriven voskom i dobiva se matrica. Sva udubljenja kopiranog objekta na matrici bit će ispupčenja. Površina voštane matrice presvučena je tankim slojem grafita, što je čini električno vodljivom.
Dobivena grafitna elektroda se uroni u kupku otopine bakrenog sulfata. Anoda je bakar. Tijekom elektrolize, bakrena anoda se otapa, a bakar se taloži na grafitnoj katodi. Tako se dobiva točna bakrena kopija.
Pomoću elektroformiranja izrađuju se klišeji za tisak, gramofonske ploče, metaliziraju razni predmeti. Galvanoplastiku je otkrio ruski znanstvenik B. S. Jacobi (1838.).
Izrada kalupa za gramofonske ploče uključuje nanošenje tankog sloja srebra na plastičnu gramofonsku ploču kako bi postala električki vodljiva. Zatim se na ploču nanosi elektrolitički premaz nikla.
Što treba učiniti da se napravi ploča u elektrolitičkoj kupki - anoda ili katoda?
(O e t. katodi.)
4. Elektrolizom se dobivaju mnogi metali: alkalijski, zemnoalkalijski, aluminij, lantanoidi itd.
5. Za čišćenje nekih metala od nečistoća, metal s nečistoćama se spaja na anodu. Metal se tijekom procesa elektrolize otapa i taloži na metalnoj katodi, dok nečistoća ostaje u otopini.
6. Elektroliza se naširoko koristi za dobivanje složenih tvari (lužine, kiseline koje sadrže kisik), halogena.
Praktični rad(druga lekcija)
Ciljevi lekcije. Provedite elektrolizu vode, pokažite galvanizaciju u praksi, učvrstite znanje stečeno na prvoj lekciji.
Oprema.Na studentskim stolovima: prazna baterija, dvije žice s klemama, dvije grafitne elektrode, čaša, epruvete, tronožac s dvije noge, 3% otopina natrijevog sulfata, špiritus, šibice, svjetiljka.
Na učiteljevom stolu: isto + otopina bakrenog sulfata, mjedeni ključ, bakrena cijev (komad bakra).
Brifing za studente
1. Spojite žice s terminalima na elektrode.
2. Stavite elektrode u čašu tako da se ne dodiruju.
3. Ulijte otopinu elektrolita (natrij sulfat) u čašu.
4. Ulijte vodu u epruvete i, stavljajući ih naopako u čašu s elektrolitom, jednu po jednu nataknite na grafitne elektrode, učvrstivši gornji rub epruvete u podnožje stativa.
5. Nakon što je uređaj montiran, spojite krajeve žica na bateriju.
6. Promatrajte razvoj mjehurića plina: manje ih se oslobađa na anodi nego na katodi. Nakon što je gotovo sva voda u jednoj epruveti istisnuta oslobođenim plinom, au drugoj - za polovicu, odvojite žice od baterije.
7. Upalite špiritusnu lampu, pažljivo izvadite epruvetu iz koje je voda gotovo potpuno istisnuta i prinesite je špiritusnoj svjetiljci - začut će se karakteristično pucketanje plina.
8. Zapalite baklju. Uklonite drugu epruvetu, provjerite uz pomoć tinjajućeg plina.
Zadaci za učenike
1. Skicirajte uređaj.
2. Napišite jednadžbu elektrolize vode i objasnite zašto je bilo potrebno provesti elektrolizu u otopini natrijevog sulfata.
3. Napišite jednadžbe reakcija koje odražavaju oslobađanje plinova na elektrodama.
Učiteljski demonstracijski pokus
(mogu izvoditi najbolji učenici u razredu
uz odgovarajuću opremu)
1. Spojite priključke žice na bakrenu cijev i mjedeni ključ.
2. Spustite epruvetu i ključ u čašu s otopinom bakrova(II) sulfata.
3. Spojite druge krajeve žica na bateriju: "minus" baterije na bakrenu cijev, "plus" na ključ!
4. Promatrajte otpuštanje bakra na površini ključa.
5. Nakon izvođenja pokusa prvo odspojite priključke s baterije, a zatim izvadite ključ iz otopine.
6. Rastavite krug elektrolize s topljivom elektrodom:
CuSO 4 \u003d Cu 2+ +
anoda (+): Su 0 - 2 e\u003d Cu 2+,
katoda (–): Cu 2+ + 2 e= Su 0 .
Ukupna jednadžba za elektrolizu s topljivom anodom ne može se napisati.
Elektroliza je provedena u otopini bakrovog(II) sulfata, jer:
a) potrebna je otopina elektrolita da bi struja tekla, tk. voda je slab elektrolit;
b) neće se osloboditi nusprodukti reakcija, već samo bakar na katodi.
7. Za konsolidaciju prošlosti napišite shemu elektrolize cinkovog klorida s ugljičnim elektrodama:
ZnCl 2 \u003d Zn 2+ + 2Cl -,
katoda (–): Zn 2+ + 2 e= Zn 0 ,
2H20+2 e\u003d H 2 + 2OH -,
anoda (+): 2Cl – – 2 e=Cl2.
Ukupna jednadžba reakcije u ovom slučaju ne može se napisati, jer nije poznato koji dio ukupne količine električne energije odlazi na redukciju vode, a koji dio - na redukciju iona cinka.
 |
Shema demonstracijskog pokusa |
Domaća zadaća
1. Napišite jednadžbu za elektrolizu otopine koja sadrži smjesu bakrova(II) nitrata i srebrovog nitrata s inertnim elektrodama.
2. Napišite jednadžbu elektrolize otopine natrijevog hidroksida.
3. Za čišćenje bakrenog novčića potrebno ga je objesiti na bakrenu žicu spojenu na negativni pol baterije, te spustiti u 2,5% otopinu NaOH, gdje također treba uroniti grafitnu elektrodu spojenu na pozitivni pol baterije . Objasnite kako novčić postaje čist. ( Odgovor. Ioni vodika se reduciraju 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 čišćenja prahom, jer. novčić se ne briše.)
Kada se razmatra elektroliza vodenih otopina, mora se imati na umu da, osim iona elektrolita, u svakoj vodenoj otopini postoje i ioni koji su produkti disocijacije vode H + i OH -.
U električnom polju ioni vodika kreću se prema katodi, a ioni OH prema anodi. Dakle, i kationi elektrolita i kationi vodika mogu se isprazniti na katodi. Slično, na anodi se mogu isprazniti i anioni elektrolita i hidroksidni ioni. Osim toga, molekule vode također mogu biti podvrgnute elektrokemijskoj oksidaciji ili redukciji.
Koji će se elektrokemijski procesi odvijati na elektrodama tijekom elektrolize prvenstveno će ovisiti o relativnim vrijednostima elektrodnih potencijala odgovarajućih elektrokemijskih sustava. Od nekoliko mogućih procesa, odvijat će se onaj s minimalnim utroškom energije. To znači da će se oksidirani oblici elektrokemijskih sustava s najvećim elektrodnim potencijalom reducirati na katodi, dok će se reducirani oblici sustava s najnižim elektrodnim potencijalom oksidirati na anodi. U općem slučaju, na anodi se lakše oksidiraju oni atomi, molekule i ioni čiji su potencijali u danim uvjetima najniži, a na katodi se lakše reduciraju oni ioni, molekule, atomi čiji su potencijali najveći. Razmotrimo katodne procese koji se odvijaju tijekom elektrolize vodenih otopina soli. Ovdje je potrebno uzeti u obzir veličinu elektrodnog potencijala procesa redukcije vodikovih iona koji ovisi o koncentraciji vodikovih iona. Poznata nam je opća jednadžba potencijala elektrode za vodikovu elektrodu (odjeljak 2.3).
U slučaju neutralnih otopina (pH=7), vrijednost potencijala elektrode procesa redukcije iona vodika je
|
φ = –0,059 . 7 = -0,41 V. |
1) tijekom elektrolize otopina soli koje sadrže metalne katione, čiji je elektrodni potencijal mnogo pozitivniji od –0,41 V, metal će se reducirati iz neutralne otopine takvog elektrolita na katodi. Takvi su metali u nizu napona blizu vodika (počevši otprilike od kositra i nakon njega);
2) tijekom elektrolize otopina soli koje sadrže metalne katione, čiji je elektrodni potencijal mnogo negativniji od -0,41 V, neće doći do redukcije metala na katodi, već će se osloboditi vodik. Takvi metali uključuju alkalije, zemno alkalije, magnezij, aluminij, do otprilike titana;
3) tijekom elektrolize otopina soli koje sadrže metalne katione, čiji je potencijal elektrode blizu -0,41 V (metali srednjeg dijela serije - Zn, Cr, Fe, Cd, Ni), tada, ovisno o koncentraciji otopine soli i uvjeta elektrolize (gustoća struje, temperatura, sastav otopine), moguća je i redukcija metala i razvijanje vodika; ponekad dolazi do zajedničkog oslobađanja metala i vodika.
Elektrokemijsko 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 elektrokemijske redukcije vode:
HOH + ē → H 0 + OH –
H 0 + H 0 = H 2 ,
|
zatim 2HON + 2ē → H 2 + 2OH – |
Dakle, priroda katodnog procesa tijekom elektrolize vodenih otopina 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 njihovo oslobađanje na katodi, u pravilu, ići redoslijedom smanjenja algebarske vrijednosti elektrodnog potencijala metala. Na primjer, iz mješavine kationa Ag +, Cu 2+ i Zn 2+ s dovoljnim naponom na stezaljkama elektrolizatora, srebrni kationi (φ 0 \u003d +0,8 V), zatim bakar (φ 0 \u003d +0,34 V ) i, konačno, cink (φ 0 = -0,76 V).
Elektrokemijsko odvajanje metala iz smjese kationa koristi se u tehnici i kvantitativnoj analizi. Općenito, sposobnost pražnjenja (prihvaćanja elektrona) metalnih iona određena je položajem metala u nizu standardnih elektrodnih potencijala. Što je metal više lijevo u nizu napona, što je njegov negativni potencijal veći ili što je manji pozitivni potencijal, to je teže pražnjenje njegovih iona. Dakle, iz metalnih iona u nizu napona najlakše se prazne ioni trovalentnog zlata (pri najnižim naponima električne struje), zatim ioni srebra itd. Najteže (pri najvećem naponu električne struje) je pražnjenje iona kalija. Ali vrijednost potencijala metala, kao što je poznato, varira ovisno o koncentraciji njegovih iona u otopini; na isti način, lakoća pražnjenja iona svakog metala varira ovisno o njihovoj koncentraciji: povećanje koncentracije olakšava pražnjenje iona, smanjenje ga otežava. Stoga, tijekom elektrolize otopine koja sadrži ione nekoliko metala, može se dogoditi da će do oslobađanja aktivnijeg metala doći ranije nego do oslobađanja manje aktivnog (ako je koncentracija prvog metalnog iona značajna, a drugi je vrlo nizak).
Razmotrimo anodne procese koji se javljaju tijekom elektrolize vodenih otopina soli. Priroda reakcija koje se odvijaju na anodi ovisi o prisutnosti molekula vode io tvari od koje je anoda napravljena. Treba imati na umu da materijal anode može oksidirati tijekom elektrolize. U tom smislu razlikujemo elektrolizu s inertnom (netopivom) anodom i elektrolizu s aktivnom (topivom) anodom. Netopljive anode izrađuju se od ugljena, grafita, platine, iridija; topljive anode - od bakra, srebra, cinka, kadmija, nikla i drugih metala. Na netopivoj anodi tijekom elektrolize dolazi do oksidacije aniona ili molekula vode. Tijekom elektrolize vodenih otopina kiselina bez kisika HI, HBr, HCl, H 2 S i njihovih soli (osim HF i fluorida) dolazi do pražnjenja aniona na anodi i oslobađanja odgovarajućeg halogena. Imajte na umu da je oslobađanje klora tijekom elektrolize HCl i njegovih soli u suprotnosti s međusobnim položajem sustava
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 učinak na proces oslobađanja kisika.
Tijekom elektrolize vodenih otopina soli koje sadrže anione SO 4 2-, SO 3 2-, NO 3 -, PO 4 3- itd., kao i vodikov fluorid i fluoride, dolazi do elektrokemijske oksidacije vode. Ovisno o pH otopine, ovaj proces se odvija različito i može se napisati različitim jednadžbama. U alkalnom mediju jednadžba ima oblik
4OH – – 4ē → 2H 2 O+O 2 , (pH > 7)
a u kiseloj ili neutralnoj sredini imamo
HOH– 2ē →O 0 + 2 H + (pH ≤ 7)
2 O 0 = O 2 ,
|
zatim 2H 2 O – 4ē → 4N + + 20 2 . |
U razmatranim slučajevima elektrokemijska oksidacija vode je energetski najpovoljniji proces. Oksidacija aniona koji sadržavaju kisik događa se pri vrlo visokim potencijalima. Na primjer, standardni oksidacijski potencijal SO 4 2- iona - 2ē → S 2 O 8 2- je 2,01 V, što znatno premašuje standardni oksidacijski potencijal vode od 1,228 V.
2H 2 O - 4ē → O 2 + 4H + (φ 0 = 1,228 V).
Standardni ionski oksidacijski potencijal F - još je važniji
2F – – 2ē →F 2 (φ 0 = 2 ,87 NA).
Općenito, tijekom elektrolize vodenih otopina soli, metalni i vodikovi kationi istovremeno se približavaju katodi elektrolizera, dok svaki od njih "tvrdi" da je reduciran zbog elektrona koji dolaze s katode. Kako će zapravo teći proces redukcije na katodi? Odgovor se može dobiti na temelju niza naprezanja metala. U tom slučaju, što je manja algebarska vrijednost standardnog elektrodnog potencijala metala, to su njihovi kationi slabiji akceptori elektrona i teže ih je reducirati na katodi. S tim u vezi, razlikuju se tri skupine kationa prema njihovom odnosu prema elektroredukciji.
1. Kationi karakterizirani visokom aktivnošću privlačenja elektrona (Cu 2+, Hg 2+, Ag+, Au 3+, Pt 2+, Pt 4+). Tijekom elektrolize soli ovih kationa dolazi do gotovo potpune redukcije metalnih kationa; strujni izlaz 100% ili blizu toga.
2. Kationi karakterizirani prosječnim vrijednostima sposobnosti privlačenja elektrona (Mn 2+, Zn 2+, Cr 3+, Fe 2+, Ni 2+, Sn 2+, Pb 2+). Tijekom elektrolize na katodi, kationi i molekula metala i vode se istovremeno reduciraju, što dovodi do smanjenja strujne učinkovitosti metala.
3. Kationi koji pokazuju nisku sposobnost privlačenja elektrona (K +, Ca 2+, Mg 2+, Al 3+). U ovom slučaju, akceptori elektrona na katodi nisu kationi skupine koja se razmatra, već molekule vode. U ovom slučaju, sami kationi ostaju nepromijenjeni u vodenoj otopini, a trenutna učinkovitost približava se nuli.
Omjer različitih aniona i elektrooksidacije na anodi
Anioni kiselina bez kisika i njihovih soli (Cl ¯, Br ¯, J ¯, S 2-, CN¯ itd.) drže svoje elektrone slabije od molekule vode. Stoga, tijekom elektrolize vodenih otopina spojeva koji sadrže ove anione, potonji će igrati ulogu donora elektrona, oni će se oksidirati i prenijeti svoje elektrone u vanjski krug elektrolitičke ćelije.
Anioni kisikovih kiselina (NO 3 ¯, SO 4 2-, PO 4 3-, itd.) mogu držati svoje elektrone čvršće od molekula vode. U ovom slučaju voda se oksidira na anodi, dok sami anioni ostaju nepromijenjeni.
U slučaju topljive anode, broj oksidativnih procesa povećava se na tri:
1) elektrokemijska oksidacija vode uz oslobađanje kisika; 2) pražnjenje aniona (tj. njegova oksidacija); 3) elektrokemijska oksidacija anodnog metala (anodno otapanje metala).
Od mogućih procesa odvijat će se onaj koji je energetski najpovoljniji. Ako se anodni metal nalazi u nizu standardnih potencijala ranije od oba druga elektrokemijska sustava, tada će se uočiti anodno otapanje metala. Inače će doći do razvoja kisika ili pražnjenja aniona. Za pražnjenje aniona nije utvrđen bliski slijed. Smanjenjem sposobnosti doniranja elektrona, najčešći anioni 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 otopine CuCl 2 s netopivom anodom
U nizu napona bakar se nalazi nakon vodika, pa će se Cu 2+ prazniti na katodi i oslobađati metalni bakar, a na anodi će se kloridni ioni oksidirati u molekularni klor Cl 2 .
|
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 metalne struje (95-100%).
Elektroliza otopine NaNO 3
Budući da je natrij u nizu napona puno raniji od vodika, voda će se ispuštati 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 . |
Dakle, na katodi se oslobađa vodik i stvara se lužnata sredina, na anodi se oslobađa kisik, a u blizini anode stvara se kisela sredina. Ako anodni i katodni prostori nisu odvojeni jedan od drugog, tada će otopina u svim svojim dijelovima ostati električki 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
Strujni izlaz metala je nula.
Stoga će tijekom elektrolize otopine NaNO 3 doći do elektrolize vode. Uloga soli NaNO 3 svodi se na povećanje električne vodljivosti otopine.
Elektroliza otopine FeSO 4
Reakcije na katodi (-) (redukcija):
|
a) Fe 2+ + 2ē → Fe 0 |
simultane 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 otopine KJ s netopljivom 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 otopine CuSO 4 s bakrenom (topivom) anodom.
Standardni potencijal bakra je +0,337 V, što je puno više od -0,41 V; stoga tijekom elektrolize otopine CuSO 4 na katodi dolazi do pražnjenja Cu 2+ iona i oslobađanja metalnog bakra. Na anodi se događa suprotan proces - oksidacija metala, jer je potencijal bakra mnogo manji od potencijala oksidacije vode (+1,228 V), a još više - potencijala oksidacije SO 4 2- iona ( +2,01 V). Posljedično, u ovom slučaju, elektroliza se svodi na otapanje metala (bakra) anode i njegovo odvajanje na katodi.
Shema elektrolize otopine bakrenog sulfata:
|
katoda (-) |
|
Cu 2+ + 2ē → Cu 0 |
|
Cu 0 – 2ē → Cu 2+ . |
Ovaj se postupak koristi za električno rafiniranje metala (tzv. elektrolitičko rafiniranje).
Što je elektroliza? Za jednostavnije razumijevanje odgovora na ovo pitanje, zamislimo bilo koji izvor istosmjerne struje. Za svaki istosmjerni izvor uvijek možete pronaći pozitivan i negativan pol:
Spojimo na njega dvije kemijski postojane elektrovodljive ploče koje ćemo nazvati elektrodama. Ploča spojena na pozitivni pol naziva se anoda, a na negativni pol katoda:
Natrijev klorid je elektrolit; kada se topi, disocira na natrijeve katione i kloridne ione:
NaCl \u003d Na + + Cl -
Očito je da će negativno nabijeni anioni klora otići na pozitivno nabijenu elektrodu – anodu, a pozitivno nabijeni kationi Na + na negativno nabijenu elektrodu – katodu. Kao rezultat toga, i Na + kationi i Cl - anioni će se isprazniti, odnosno postat će neutralni atomi. Do pražnjenja dolazi stjecanjem elektrona u slučaju iona Na + i gubitkom elektrona u slučaju iona Cl −. Odnosno, proces se odvija na katodi:
Na + + 1e − = Na 0 ,
I na anodi:
Cl − − 1e − = Cl
Budući da svaki atom klora ima nespareni elektron, njihovo pojedinačno postojanje je nepovoljno i atomi klora se spajaju u molekulu od dva atoma klora:
Sl∙ + ∙Cl \u003d Cl 2
Dakle, ukupno se proces koji se odvija na anodi ispravnije piše na sljedeći način:
2Cl - - 2e - = Cl 2
Odnosno, imamo:
Katoda: Na + + 1e − = Na 0
Anoda: 2Cl - - 2e - = Cl 2
Sažemo elektroničku vagu:
Na + + 1e − = Na 0 |∙2
2Cl − − 2e − = Cl 2 |∙1<
Zbrojite lijevu i desnu stranu obje jednadžbe polovične reakcije, dobivamo:
2Na + + 2e − + 2Cl − − 2e − = 2Na 0 + Cl 2
Reduciramo dva elektrona na isti način kao što se to radi u algebri, dobivamo ionsku jednadžbu elektrolize:
2NaCl (l.) => 2Na + Cl 2
S teorijskog gledišta, gore razmotreni slučaj je najjednostavniji, budući da 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 što će se primjerice dogoditi ako umjesto taline natrijevog klorida struju pustimo kroz njegovu vodenu otopinu? U ovom slučaju također se opaža disocijacija natrijevog klorida, ali stvaranje metalnog natrija u vodenoj otopini postaje nemoguće. Uostalom, znamo da je natrij, predstavnik alkalijskih metala, izuzetno aktivan metal koji vrlo burno reagira s vodom. Ako se natrij ne može reducirati pod takvim uvjetima, što će se onda reducirati na katodi?
Prisjetimo se strukture molekule vode. On je dipol, odnosno ima negativan i pozitivan pol:
Zbog ovog svojstva 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 +
Stoga se ispostavlja da ako razmotrimo otopinu bilo kojeg elektrolita, vidjet ćemo da se kationi i anioni nastali 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 iona nastalih tijekom disocijacije elektrolita ili oksidacije/redukcije molekula vode? Ili će se možda svi ovi procesi odvijati istovremeno?
Ovisno o vrsti elektrolita, moguće su različite situacije tijekom elektrolize njegove vodene otopine. Na primjer, kationi alkalijskih, zemnoalkalijskih metala, aluminija i magnezija jednostavno se ne mogu reducirati u vodenom okolišu, budući da bi njihovom redukcijom trebali nastati alkalijski, zemnoalkalijski metali, aluminij odnosno magnezij. metali koji reagiraju s vodom.
U tom slučaju moguća je samo redukcija molekula vode na katodi.
Moguće je zapamtiti koji će se proces odvijati na katodi tijekom elektrolize otopine bilo kojeg elektrolita, slijedeći sljedeća načela:
1) Ako se elektrolit sastoji od metalnog kationa, koji u slobodnom stanju pod normalnim uvjetima reagira s vodom, na katodi se odvija sljedeći proces:
2H 2 O + 2e - \u003d 2OH - + H 2
Ovo se odnosi na metale koji su na početku niza aktivnosti Al, uključivo.
2) Ako se elektrolit sastoji od metalnog kationa, koji u svom slobodnom obliku ne reagira s vodom, ali reagira s neoksidirajućim kiselinama, dva procesa se odvijaju odjednom, i redukcija metalnih kationa i molekula vode:
Me n+ + ne = Me 0
Ovi metali uključuju one između Al i H u seriji aktivnosti.
3) Ako se elektrolit sastoji od vodikovih kationa (kiselina) ili metalnih kationa koji ne reagiraju s neoksidirajućim kiselinama, obnavljaju se samo kationi elektrolita:
2H + + 2e - \u003d H 2 - u slučaju kiseline
Me n + + ne = Me 0 - u slučaju soli
U međuvremenu, na anodi je 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 fluora se ne oksidiraju na anodi jer se fluor ne može formirati u vodenoj otopini (reagira s vodom)
2) Ako elektrolit sadrži hidroksidne ione (lužine), 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 fluoridni 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 jednadžbe procesa koji se odvijaju na katodi i anodi tijekom elektrolize taline cinkovog klorida, kao i opću jednadžbu elektrolize.
Riješenje
Kada se cinkov klorid rastali, on disocira:
ZnCl 2 \u003d Zn 2+ + 2Cl -
Nadalje, treba obratiti pozornost na činjenicu da se elektrolizi podvrgava talina cinkovog klorida, a ne vodena otopina. Drugim riječima, bez opcija, na katodi se može dogoditi samo redukcija cinkovih kationa, a na anodi oksidacija kloridnih iona. 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 jednadžbe procesa koji se odvijaju na katodi i anodi tijekom elektrolize vodene otopine cinkovog klorida, kao i opću jednadžbu elektrolize.
Budući da je u ovom slučaju vodena otopina podvrgnuta elektrolizi, tada, teoretski, molekule vode mogu sudjelovati u elektrolizi. Budući da 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 bez kisika HCl, stoga, u natjecanju za oksidaciju na anodi, kloridni ioni "pobjeđuju" nad molekulama vode:
2Cl - - 2e - = Cl 2
U ovom konkretnom slučaju nemoguće je napisati ukupnu jednadžbu elektrolize, jer je nepoznat omjer između vodika i cinka koji se oslobađaju na katodi.
Primjer #3
Napišite jednadžbe procesa koji se odvijaju na katodi i anodi tijekom elektrolize vodene otopine bakrenog nitrata, kao i opću jednadžbu elektrolize.
Bakar nitrat u otopini je u disociranom stanju:
Cu(NO 3) 2 \u003d Cu 2+ + 2NO 3 -
Bakar je u nizu aktivnosti desno od vodika, odnosno kationi bakra će se reducirati na katodi:
Cu 2+ + 2e − = Cu 0
Nitratni ion NO 3 - je kiselinski ostatak koji sadrži kisik, što znači da u oksidaciji na anodi nitratni ioni "gube" u konkurenciji s molekulama 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 +
Jednadžba dobivena kao rezultat zbrajanja je ionska jednadžba elektrolize. Da biste dobili potpunu jednadžbu molekularne elektrolize, trebate dodati 4 nitratna iona na lijevu i desnu stranu rezultirajuće ionske jednadžbe kao protuione. Tada ćemo dobiti:
2Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O = 2Cu 0 + O 2 + 4HNO 3
Primjer #4
Napišite jednadžbe procesa koji se odvijaju na katodi i anodi tijekom elektrolize vodene otopine kalijeva acetata, kao i opću jednadžbu elektrolize.
Riješenje:
Kalijev acetat u vodenoj otopini disocira na kalijeve katione i acetatne ione:
CH 3 COOK \u003d CH 3 COO − + K +
Kalij je alkalni metal, tj. je u elektrokemijskom nizu napona na samom početku. To znači da se njegovi kationi ne mogu isprazniti na katodi. Umjesto toga, molekule vode će se obnoviti:
2H 2 O + 2e - \u003d 2OH - + H 2
Kao što je gore spomenuto, kiselinski ostaci karboksilnih kiselina "pobjeđuju" u natjecanju za oksidaciju iz molekula vode na anodi:
2CH 3 COO - - 2e - \u003d CH 3 -CH 3 + 2CO 2
Dakle, zbrajanjem elektronske ravnoteže i zbrajanjem dvije jednadžbe polureakcija na katodi i anodi, dobivamo:
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 jednadžbu elektrolize u ionskom obliku. Dodavanjem dva iona kalija na lijevu i desnu stranu jednadžbe i njihovim zbrajanjem s protuionima, dobivamo potpunu jednadžbu elektrolize u molekularnom obliku:
2H 2 O + 2CH 3 COOK \u003d 2KOH + H 2 + CH 3 -CH 3 + 2CO 2
Primjer #5
Napišite jednadžbe procesa koji se odvijaju na katodi i anodi tijekom elektrolize vodene otopine sumporne kiseline, kao i opću jednadžbu elektrolize.
Sumporna kiselina disocira na katione vodika i sulfatne ione:
H 2 SO 4 \u003d 2H + + SO 4 2-
Kationi vodika H + će se reducirati na katodi, a molekule vode će se oksidirati na anodi, jer su sulfatni ioni kiselinski 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 iona na lijevoj, desnoj i lijevoj strani jednadžbe, dobivamo jednadžbu za elektrolizu vodene otopine sumporne kiseline:
2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2
Kao što se vidi, elektroliza vodene otopine sumporne kiseline svodi se na elektrolizu vode.
Primjer #6
Napišite jednadžbe procesa koji se odvijaju na katodi i anodi tijekom elektrolize vodene otopine natrijevog hidroksida, kao i opću jednadžbu elektrolize.
Disocijacija natrijevog hidroksida:
NaOH = Na + + OH -
Na katodi će se reducirati samo molekule vode, budući da je natrij vrlo aktivan metal, a na anodi samo hidroksidni ioni:
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
Reduciramo dvije molekule vode s lijeve i desne strane i 4 hidroksidna iona i dolazimo do zaključka da se, kao i u slučaju sumporne kiseline, elektroliza vodene otopine natrijevog hidroksida svodi na elektrolizu vode.
