Vandenilio chlorido rūgšties elektrolizės lygtis. Elektrolizė
Tirpalo elektrolizė
ir išlydytos druskos (2 valandos)
Pasirenkamojo kurso „Elektrochemija“ užsiėmimai
Pirmos pamokos tikslai:
Pirmos pamokos planas
1. Tirtų metalų gavimo metodų kartojimas.
2. Naujos medžiagos paaiškinimas.
3. Užduočių sprendimas iš G.E.Rudzičio, F.G.Feldmano vadovėlio „Chemija-9“ (M .: Edukacija, 2002), p. 120, Nr. 1, 2.
4. Žinių įsisavinimo tikrinimas atliekant testo užduotis.
5. Ataskaita apie elektrolizės taikymą.
Pirmos pamokos tikslai: išmokyti rašyti tirpalų ir išlydytų druskų elektrolizės schemas ir pritaikyti įgytas žinias sprendžiant skaičiavimo uždavinius; tęsti įgūdžių formavimą dirbant su vadovėliu, testo medžiaga; aptarti elektrolizės pritaikymą šalies ūkyje.
PIRMOSIOS PAMOKOS EIGA
Išmoktų metodų kartojimas metalų gavimas vario gavimo iš vario(II) oksido pavyzdžiu.
Atitinkamų reakcijų lygčių užrašymas:
Kitas būdas gauti metalus iš tirpalų ir jų druskų lydalo yra elektrocheminis, arba elektrolizė.
Elektrolizė yra redokso procesas, vykstantis ant elektrodų, kai elektros srovė praeina per lydalo arba elektrolito tirpalą..
Natrio chlorido lydalo elektrolizė:
NaCl Na + + Cl – ;
katodas (–) (Na +): Na + + e= Na 0,
anodas (–) (Cl –): Cl – – e\u003d Cl 0, 2Cl 0 \u003d Cl 2;
2NaCl \u003d 2Na + Cl 2.
Natrio chlorido tirpalo elektrolizė:
NaCl Na + + Cl – ,
H2O H+ + OH-;
katodas (–) (Na +; H +): H + + e= H0, 2H0 = H2
(2H 2 O + 2 e\u003d H2 + 2OH -),
anodas (+) (Cl - ; OH -): Cl - - e\u003d Cl 0, 2Cl 0 \u003d Cl 2;
2NaCl + 2H2O \u003d 2NaOH + Cl2 + H2.
Vario (II) nitrato tirpalo elektrolizė:
Cu(NO 3) 2 Cu 2+ +
H2O H+ + OH-;
katodas (–) (Cu 2+; H +): Cu 2+ + 2 e= Cu 0,
anodas (+) (OH -): OH - - e=OH0,
4H 0 \u003d O2 + 2H2O;
2Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O \u003d 2Cu + O 2 + 4HNO 3.
Šie trys pavyzdžiai parodo, kodėl labiau apsimoka atlikti elektrolizę nei atlikti kitus metalų gavimo būdus: gaunami metalai, hidroksidai, rūgštys, dujos.
Parašėme elektrolizės schemas, o dabar bandysime iš karto parašyti elektrolizės lygtis, nesiremdami į schemas, o tik naudodami jonų aktyvumo skalę:
Elektrolizės lygčių pavyzdžiai:
2HgSO4 + 2H2O \u003d 2Hg + O2 + 2H2SO4;
Na2SO4 + 2H2O \u003d Na2SO4 + 2H2 + O2;
2LiCl + 2H2O \u003d 2LiOH + H2 + Cl2.
Problemų sprendimas iš G.E.Rudzičio ir F.G.Feldmano vadovėlio (9 klasė, p. 120, Nr. 1, 2).
1 užduotis. Elektrolizės metu vario (II) chlorido tirpalui katodo masė padidėjo 8 g Kokios dujos išsiskyrė, kokia jų masė?
Sprendimas
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.
Atsakymas. Dujos yra chloras, kurio masė 8,875 g.
2 užduotis. Elektrolizės metu sidabro nitrato vandeniniam tirpalui išsiskyrė 5,6 litro dujų. Kiek gramų metalo nusėdo ant katodo?
Sprendimas
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.
Atsakymas. 107 g sidabro.
Testavimas
1 variantas
1. Kalio hidroksido tirpalo elektrolizės metu katode išsiskiria:
a) vandenilis; b) deguonies; c) kalio.
2. Vario(II) sulfato tirpalo elektrolizės metu susidaro:
a) vario(II) hidroksidas;
b) sieros rūgštis;
3. Elektrolizės metu bario chlorido tirpalui anode išsiskiria:
a) vandenilis; b) chloro; c) deguonis.
4. Aliuminio chlorido lydalo elektrolizės metu katode išsiskiria:
a) aliuminio; b) chloro;
c) elektrolizė neįmanoma.
5. Sidabro nitrato tirpalo elektrolizė vyksta pagal šią schemą:
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.
2 variantas
1. Natrio hidroksido tirpalo elektrolizės metu prie anodo išsiskiria:
a) natrio; b) deguonies; c) vandenilis.
2. Natrio sulfido tirpalo elektrolizės metu susidaro:
a) vandenilio sieros rūgštis;
b) natrio hidroksidas;
3. Gyvsidabrio (II) chlorido lydalo elektrolizės metu katode išsiskiria:
a) gyvsidabris; b) chloro; c) elektrolizė neįmanoma.
4.
5. Gyvsidabrio (II) nitrato tirpalo elektrolizė vyksta pagal šią schemą:
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 variantas
1. Vario (II) nitrato tirpalo elektrolizės metu katode išsiskiria:
a) vario; b) deguonies; c) vandenilis.
2. Elektrolizės metu ličio bromido tirpalas tirpale susidaro:
b) vandenilio bromido rūgštis;
c) ličio hidroksidas.
3. Sidabro chlorido lydalo elektrolizės metu katode išsiskiria:
a) sidabras; b) chloro; c) elektrolizė neįmanoma.
4. Aliuminio chlorido tirpalo elektrolizės metu aliuminis išsiskiria į:
a) katodas; b) anodas; c) lieka tirpale.
5. Bario bromido tirpalo elektrolizė vyksta pagal šią schemą:
a) BaBr 2 + H 2 O Br 2 + H 2 + Ba (OH) 2;
b) BaBr2 + H2O Br2 + Ba + H2O;
c) BaBr 2 + H 2 O Br 2 + O 2 + Ba (OH) 2.
4 variantas
1. Elektrolizės metu bario hidroksido tirpalui anode išsiskiria:
a) vandenilis; b) deguonies; c) baris.
2. Tirpalo kalio jodido tirpalo elektrolizės metu susidaro:
a) vandenilio jodo rūgštis;
b) vanduo; c) kalio hidroksidas.
3. Švino (II) chlorido lydalo elektrolizės metu katode išsiskiria:
a) švinas; b) chloro; c) elektrolizė neįmanoma.
4. Elektrolizės metu ant katodo sidabro nitrato tirpalas išsiskiria:
a) sidabras; b) vandenilis; c) deguonis.
5. Natrio sulfido tirpalo elektrolizė vyksta pagal šią schemą:
a) Na 2 S + H 2 O S + H 2 + NaOH;
b) Na2S + H2O H2 + O2 + Na2S;
c) Na 2 S + H 2 O H 2 + Na 2 S + NaOH.
Atsakymai
| Variantas | Klausimas 1 | 2 klausimas | 3 klausimas | 4 klausimas | 5 klausimas |
| 1 | a | b | b | a | b |
| 2 | b | b | a | a | b |
| 3 | a | in | a | in | a |
| 4 | b | in | a | a | a |
Elektrolizės panaudojimas šalies ūkyje
1. Metalo gaminiams apsaugoti nuo korozijos ant jų paviršiaus padengiamas plonas kito metalo sluoksnis: chromo, sidabro, aukso, nikelio ir kt. Kartais, kad nebūtų švaistomi brangūs metalai, gaminama daugiasluoksnė danga. Pavyzdžiui, automobilio išorinės dalys pirmiausia padengiamos plonu vario sluoksniu, ant vario – plonas nikelio sluoksnis, o ant jo – chromo sluoksnis.
Dengiant metalo dangas elektrolizės būdu, jos išgaunamos net storio ir patvarios. Tokiu būdu galite padengti bet kokios formos gaminius. Ši taikomosios elektrochemijos šaka vadinama galvanizavimas.
2. Be apsaugos nuo korozijos, galvaninės dangos gaminiams suteikia gražią dekoratyvinę išvaizdą.
3. Kita elektrochemijos šaka, iš esmės artima galvanizavimui, vadinama galvanizavimu. Tai yra tikslių įvairių elementų kopijų gavimo procesas. Norėdami tai padaryti, objektas padengiamas vašku ir gaunama matrica. Visos nukopijuoto objekto įdubos matricoje bus iškilusios. Vaško matricos paviršius padengtas plonu grafito sluoksniu, todėl jis yra laidus elektrai.
Gautas grafito elektrodas panardinamas į vario sulfato tirpalo vonią. Anodas yra varis. Elektrolizės metu vario anodas ištirpsta, o ant grafito katodo nusėda varis. Taigi gaunama tiksli varinė kopija.
Elektroformavimo pagalba daromos klišės spaudai, gramofono plokštelės, metalizuojami įvairūs objektai. Galvanoplastiką atrado rusų mokslininkas B. S. Jacobi (1838).
Įrašų štampų gamyba apima ploną sidabro sluoksnį padengti plastikiniu įrašu, kad jis taptų elektrai laidus. Tada ant plokštelės padengiama elektrolitine nikelio danga.
Ką daryti, kad elektrolitinėje vonioje būtų pagaminta plokštelė – anodas ar katodas?
(Apie e t. katodą.)
4. Elektrolizė naudojama daugeliui metalų: šarminių, šarminių žemių, aliuminio, lantanidų ir kt.
5. Norint išvalyti kai kuriuos metalus nuo priemaišų, prie anodo prijungiamas metalas su priemaišomis. Metalas ištirpsta elektrolizės proceso metu ir nusodinamas ant metalo katodo, o priemaiša lieka tirpale.
6. Elektrolizė plačiai naudojama sudėtingoms medžiagoms (šarmams, deguonies turinčioms rūgštims), halogenams gauti.
Praktinis darbas(antra pamoka)
Pamokos tikslai. Atlikti vandens elektrolizę, praktiškai parodyti galvanizavimą, įtvirtinti pirmoje pamokoje įgytas žinias.
Įranga.Ant mokinių stalų: išsikrovęs akumuliatorius, du laidai su gnybtais, du grafito elektrodai, stiklinė, mėgintuvėliai, trikojis su dviem kojelėmis, 3% natrio sulfato tirpalas, spiritinė lempa, degtukai, deglas.
Ant mokytojo stalo: tas pats + vario sulfato tirpalas, žalvarinis raktas, varinis vamzdelis (vario gabalas).
Studentų instruktažas
1. Pritvirtinkite laidus su gnybtais prie elektrodų.
2. Įdėkite elektrodus į stiklinę taip, kad jie nesiliestų.
3. Į stiklinę supilkite elektrolito tirpalą (natrio sulfatą).
4. Į mėgintuvėlius supilkite vandenį ir, padėję aukštyn kojomis į stiklinę su elektrolitu, po vieną uždėkite ant grafito elektrodų, viršutinį mėgintuvėlio kraštą pritvirtindami prie trikojo kojelės.
5. Sumontavę įrenginį, prijunkite laidų galus prie akumuliatoriaus.
6. Stebėkite dujų burbuliukų išsiskyrimą: prie anodo jų išsiskiria mažiau nei prie katodo. Po to, kai beveik visas vanduo viename mėgintuvėlyje išstumiamas išsiskiriančiomis dujomis, o kitame - per pusę, atjunkite laidus nuo akumuliatoriaus.
7. Uždekite spiritinę lempą, atsargiai išimkite mėgintuvėlį, kuriame vanduo beveik visiškai išstumtas, ir prineškite prie spiritinės lempos – pasigirs būdingas dujų spragtelėjimas.
8. Uždekite fakelą. Išimkite antrą mėgintuvėlį, patikrinkite rūkstančių dujų įtvaru.
Užduotys studentams
1. Nubraižykite įrenginio eskizą.
2. Parašykite vandens elektrolizės lygtį ir paaiškinkite, kodėl reikėjo atlikti elektrolizę natrio sulfato tirpale.
3. Parašykite reakcijų lygtis, atspindinčias dujų išsiskyrimą ant elektrodų.
Mokytojo demonstracinis eksperimentas
(gali atlikti geriausi klasės mokiniai
su atitinkama įranga)
1. Prijunkite laidų gnybtus prie varinio vamzdžio ir žalvario rakto.
2. Nuleiskite mėgintuvėlį ir įstatykite į stiklinę su vario (II) sulfato tirpalu.
3. Antruosius laidų galus prijunkite prie akumuliatoriaus: akumuliatoriaus "minusą" prie varinio vamzdelio, "pliusą" prie rakto!
4. Stebėkite vario išsiskyrimą ant rakto paviršiaus.
5. Atlikę eksperimentą, pirmiausia atjunkite gnybtus nuo akumuliatoriaus, tada ištraukite raktą nuo tirpalo.
6. Išardykite elektrolizės grandinę tirpiu elektrodu:
CuSO 4 \u003d Cu 2+ +
anodas (+): Сu 0–2 e\u003d Cu 2+,
katodas (–): Cu 2+ + 2 e= Сu 0 .
Neįmanoma parašyti bendros elektrolizės su tirpiu anodu lygties.
Elektrolizė buvo atlikta vario(II) sulfato tirpale, nes:
a) reikalingas elektrolito tirpalas, kad tekėtų elektros srovė, tk. vanduo yra silpnas elektrolitas;
b) nebus išleisti šalutiniai reakcijų produktai, o tik varis prie katodo.
7. Norėdami įtvirtinti praeitį, parašykite cinko chlorido elektrolizės anglies elektrodais schemą:
ZnCl 2 \u003d Zn 2+ + 2Cl -,
katodas (–): Zn 2+ + 2 e= Zn0,
2H2O+2 e\u003d H2 + 2OH -,
anodas (+): 2Cl – – 2 e=Cl2.
Bendros reakcijos lygties šiuo atveju negalima parašyti, nes nežinoma, kokia dalis bendro elektros energijos kiekio tenka vandens, o kokia – cinko jonų mažinimui.
 |
Demonstracinio eksperimento schema |
Namų darbai
1. Parašykite tirpalo, kuriame yra vario(II) nitrato ir sidabro nitrato mišinio su inertiniais elektrodais, elektrolizės lygtį.
2. Parašykite natrio hidroksido tirpalo elektrolizės lygtį.
3. Norėdami išvalyti varinę monetą, ją reikia pakabinti ant varinės vielos, prijungtos prie neigiamo akumuliatoriaus poliaus, ir nuleisti į 2,5% NaOH tirpalą, kur taip pat turėtų būti panardintas grafito elektrodas, prijungtas prie teigiamo akumuliatoriaus poliaus. . Paaiškinkite, kaip moneta tampa švari. ( Atsakymas. Vandenilio jonai redukuojami katode:
2H + + 2 e\u003d H 2.
Vandenilis reaguoja su vario oksidu monetos paviršiuje:
CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O.
Šis metodas yra geresnis nei valymas milteliais, nes. moneta neištrinama.)
Kalbant apie vandeninių tirpalų elektrolizę, reikia turėti omenyje, kad, be elektrolitų jonų, bet kuriame vandeniniame tirpale taip pat yra jonų, kurie yra vandens H + ir OH - disociacijos produktai.
Elektriniame lauke vandenilio jonai juda link katodo, o OH jonai – link anodo. Taigi katode gali būti išleidžiami ir elektrolito katijonai, ir vandenilio katijonai. Panašiai anode gali išsikrauti ir elektrolitų anijonai, ir hidroksido jonai. Be to, vandens molekulės taip pat gali būti elektrochemiškai oksiduojamos arba redukuojamos.
Kokie elektrocheminiai procesai vyks prie elektrodų elektrolizės metu, pirmiausia priklausys nuo atitinkamų elektrocheminių sistemų elektrodų potencialų santykinių verčių. Iš kelių galimų procesų bus vykdomas tas, kurio energijos sąnaudos yra minimalios. Tai reiškia, kad elektrocheminių sistemų, turinčių didžiausią elektrodo potencialą, oksiduotos formos prie katodo bus redukuotos, o mažiausią elektrodo potencialą turinčių sistemų redukuotos formos bus oksiduojamos prie anodo. Bendru atveju ant anodo lengviau oksiduojasi tie atomai, molekulės ir jonai, kurių potencialai tam tikromis sąlygomis yra mažiausi, o katode lengviau redukuojami tie jonai, molekulės, atomai, kurių potencialai yra didžiausi. Panagrinėkime katodinius procesus, vykstančius druskų vandeninių tirpalų elektrolizės metu. Čia būtina atsižvelgti į vandenilio jonų redukcijos proceso elektrodo potencialo dydį, kuris priklauso nuo vandenilio jonų koncentracijos. Žinome bendrąją vandenilio elektrodo elektrodo potencialo lygtį (2.3 skyrius).
Esant neutraliems tirpalams (pH=7), vandenilio jonų redukcijos proceso elektrodo potencialo reikšmė yra
|
φ = –0,059 . 7 = -0,41 V. |
1) elektrolizuojant druskų tirpalus, turinčius metalo katijonų, kurių elektrodo potencialas yra daug teigiamas nei –0,41 V, metalas redukuojasi iš neutralaus tokio elektrolito tirpalo katode. Tokie metalai yra įtampa prie vandenilio (pradedant maždaug nuo alavo ir po jo);
2) elektrolizės metu druskos tirpalams, turintiems metalo katijonų, kurių elektrodo potencialas yra daug neigiamas nei -0,41 V, metalas prie katodo nebus redukuojamas, o išsiskirs vandenilis. Tokie metalai yra šarmai, šarminės žemės, magnis, aliuminis, iki maždaug titano;
3) elektrolizės metu druskos tirpalams, kuriuose yra metalų katijonų, kurių elektrodo potencialas artimas -0,41 V (vidurinės serijos metalai - Zn, Cr, Fe, Cd, Ni), tada, priklausomai nuo koncentracijos iš druskos tirpalo ir elektrolizės sąlygų (srovės tankio, temperatūros, tirpalo sudėties) galima tiek metalo redukcija, tiek vandenilio išsiskyrimas; kartais kartu išsiskiria metalas ir vandenilis.
Elektrocheminis vandenilio išsiskyrimas iš rūgščių tirpalų atsiranda dėl vandenilio jonų išleidimo:
2H + 2° → 2H 0
2H 0 = H 2 .
Neutralioje arba šarminėje terpėje vandenilio išsiskyrimas vyksta elektrochemiškai redukuojant vandenį:
HOH + ē → H 0 + Oi –
H 0 + H 0 = H 2 ,
|
tada 2HON + 2ē → H 2 + 2OH – |
Taigi katodinio proceso pobūdį vandeninių tirpalų elektrolizės metu pirmiausia lemia atitinkamo metalo padėtis metalų standartinių elektrodų potencialų serijoje.
Jei vandeninis tirpalas, kuriame yra įvairių metalų katijonų, yra elektrolizuojamas, tada jų išsiskyrimas katode, kaip taisyklė, vyks taip, kad sumažėtų metalo elektrodo potencialo algebrinė vertė. Pavyzdžiui, iš katijonų Ag +, Cu 2+ ir Zn 2+ mišinio su pakankama įtampa elektrolizatoriaus gnybtuose, sidabro katijonai (φ 0 \u003d +0,8 V), tada varis (φ 0 \u003d +0,34 V ) ir galiausiai cinkas (φ 0 \u003d -0,76 V).
Elektrocheminis metalų atskyrimas nuo katijonų mišinio naudojamas inžinerijoje ir kiekybinėje analizėje. Apskritai metalo jonų gebėjimą iškrauti (priimti elektronus) lemia metalų padėtis standartinių elektrodų potencialų serijoje. Kuo labiau į kairę metalas yra įtampų serijoje, tuo didesnis jo neigiamas potencialas arba kuo mažesnis teigiamas potencialas, tuo sunkiau jo jonams išsikrauti. Taigi iš metalo jonų, esančių tam tikroje įtampoje, lengviausiai išsikrauna trivalečiai aukso jonai (esant mažiausioms elektros srovės įtampoms), tada sidabro jonai ir kt. Sunkiausias (esant didžiausiai elektros srovės įtampai) yra kalio jonų išleidimas. Tačiau metalo potencialo vertė, kaip žinoma, skiriasi priklausomai nuo jo jonų koncentracijos tirpale; lygiai taip pat kiekvieno metalo jonų išleidimo lengvumas skiriasi priklausomai nuo jų koncentracijos: koncentracijos padidėjimas palengvina jonų išleidimą, o sumažėjimas apsunkina. Todėl elektrolizės metu tirpalo, kuriame yra kelių metalų jonų, gali būti, kad aktyvesnis metalas išsiskirs anksčiau nei mažiau aktyvus (jei pirmojo metalo jono koncentracija yra reikšminga ir antrasis yra labai žemas).
Panagrinėkime anodinius procesus, vykstančius vandeninių druskų tirpalų elektrolizės metu. Anode vykstančių reakcijų pobūdis priklauso ir nuo vandens molekulių buvimo, ir nuo medžiagos, iš kurios pagamintas anodas. Reikėtų nepamiršti, kad elektrolizės metu anodo medžiaga gali oksiduotis. Šiuo atžvilgiu išskiriama elektrolizė su inertiniu (netirpiu) anodu ir elektrolizė su aktyviu (tirpusiu) anodu. Netirpūs anodai gaminami iš anglies, grafito, platinos, iridžio; tirpūs anodai – iš vario, sidabro, cinko, kadmio, nikelio ir kitų metalų. Ant netirpaus anodo elektrolizės metu oksiduojasi anijonai arba vandens molekulės. Vykstant bedeguonių rūgščių HI, HBr, HCl, H 2 S ir jų druskų (išskyrus HF ir fluoridų) vandeniniams tirpalams elektrolizės metu anode išleidžiami anijonai ir išsiskiria atitinkamas halogenas. Atkreipkite dėmesį, kad chloro išsiskyrimas HCl ir jo druskų elektrolizės metu prieštarauja tarpusavio sistemų padėčiai.
2Cl – – 2ē →Cl 2 (φ 0 = +1,36 V)
2 H 2 O– 4ē →O 2 + 4 H + (φ 0 = +1,23 V)
standartinių elektrodų potencialų serijoje. Ši anomalija susijusi su dideliu antrojo iš šių dviejų elektrodų procesų viršįtampiu – anodo medžiaga slopina deguonies išsiskyrimo procesą.
Elektrolizuojant druskų, turinčių anijonų SO 4 2-, SO 3 2-, NO 3 -, PO 4 3- ir kt., taip pat vandenilio fluoridą ir fluoridus, vandeninius tirpalus, vyksta elektrocheminė vandens oksidacija. Priklausomai nuo tirpalo pH, šis procesas vyksta skirtingai ir gali būti parašytas skirtingomis lygtimis. Šarminėje terpėje lygtis turi tokią formą
4OH – – 4° → 2H 2 O+O 2 , (pH > 7)
o rūgštinėje arba neutralioje terpėje turime
HOH– 2ē →O 0 + 2 H + (pH ≤ 7)
2 O 0 = O 2 ,
|
tada 2H 2 О – 4ē → 4Н + + 2O 2 . |
Nagrinėjamais atvejais elektrocheminė vandens oksidacija yra energetiškai palankiausias procesas. Deguonies turinčių anijonų oksidacija vyksta esant labai dideliam potencialui. Pavyzdžiui, standartinis SO 4 2- jono - 2ē → S 2 O 8 2- oksidacijos potencialas yra 2,01 V, o tai žymiai viršija standartinį vandens oksidacijos potencialą 1,228 V.
2H 2 O – 4ē → O 2 + 4H + (φ 0 = 1,228 V).
Standartinis jonų oksidacijos potencialas F – yra dar svarbesnis
2F – – 2ē →F 2 (φ 0 = 2 ,87 AT).
Apskritai, elektrolizuojant vandeninius druskų tirpalus, metalo ir vandenilio katijonai vienu metu artėja prie elektrolizatoriaus katodo, o kiekvienas iš jų „pretenduoja“ į redukciją dėl elektronų, ateinančių iš katodo. Kaip redukcijos procesas vyks katode? Atsakymą galima gauti remiantis įvairiais metalų įtempiais. Šiuo atveju, kuo mažesnė metalo standartinio elektrodo potencialo algebrinė vertė, tuo silpnesni elektronų akceptoriai yra jų katijonai ir tuo sunkiau juos redukuoti ant katodo. Šiuo atžvilgiu išskiriamos trys katijonų grupės pagal jų ryšį su elektroredukcija.
1. Katijonai, kuriems būdingas didelis elektronų atitraukimo aktyvumas (Cu 2+, Hg 2+, Ag+, Au 3+, Pt 2+, Pt 4+). Šių katijonų druskų elektrolizės metu vyksta beveik visiškas metalų katijonų redukavimas; srovės išvestis 100% arba artima jai.
2. Katijonai, kuriems būdingos vidutinės elektronų atitraukimo galimybės (Mn 2+, Zn 2+, Cr 3+, Fe 2+, Ni 2+, Sn 2+, Pb 2+). Elektrolizės metu prie katodo vienu metu sumažėja ir metalo, ir vandens molekulių katijonai, todėl sumažėja metalo srovės efektyvumas.
3. Katijonai, pasižymintys mažu elektronų sutraukimo gebėjimu (K +, Ca 2+, Mg 2+, Al 3+). Šiuo atveju katodo elektronų akceptoriai yra ne nagrinėjamos grupės katijonai, o vandens molekulės. Tokiu atveju patys katijonai vandeniniame tirpale išlieka nepakitę, o srovės efektyvumas artėja prie nulio.
Įvairių anijonų ir elektrooksidacijos santykis anode
Deguonies neturinčių rūgščių ir jų druskų anijonai (Cl ¯, Br ¯, J ¯, S 2-, CN¯ ir kt.) išlaiko savo elektronus silpniau nei vandens molekulė. Todėl šių anijonų turinčių junginių vandeninių tirpalų elektrolizės metu pastarieji atliks elektronų donorų vaidmenį, jie oksiduosis ir perduos savo elektronus į išorinę elektrolitinės ląstelės grandinę.
Deguonies rūgščių anijonai (NO 3 ¯, SO 4 2-, PO 4 3- ir kt.) geba tvirčiau laikyti savo elektronus nei vandens molekulės. Tokiu atveju vanduo oksiduojamas prie anodo, o patys anijonai lieka nepakitę.
Tirpaus anodo atveju oksidacinių procesų skaičius padidėja iki trijų:
1) elektrocheminis vandens oksidavimas išskiriant deguonį; 2) anijonų iškrova (t.y. jo oksidacija); 3) anodo metalo elektrocheminė oksidacija (anodinis metalo tirpinimas).
Iš galimų procesų vyks energetiškai palankiausias. Jei anodo metalas yra standartinių potencialų serijoje anksčiau nei abi kitos elektrocheminės sistemos, tada bus stebimas anodinis metalo tirpimas. Priešingu atveju įvyks deguonies išsiskyrimas arba anijonų iškrova. Anijonų išleidimo artima seka nenustatyta. Sumažinus galimybę duoti elektronus, dažniausiai anijonai išsidėsto taip: S 2-, J ¯, Br ¯, Cl ¯, OH¯, H 2 O, SO 4 2-, NO 3 ¯, CO 3 2- , PO 4 3- .
Panagrinėkime keletą tipiškų vandeninių tirpalų elektrolizės atvejų.
CuCl 2 tirpalo elektrolizė su netirpiu anodu
Įtampos eilėje varis yra po vandenilio, todėl prie katodo išsikraus Cu 2+ ir išsiskirs metalinis varis, o prie anodo chloro jonai oksiduosis iki molekulinio chloro Cl 2.
|
Katodas (-) |
|
|
Cu 2+ + 2ē → Cu 0 |
|
|
2Cl – – 2ē → Cl 2 |
Cu 2+ + 2 Cl – → Cu 0 +Cl 2
CuCl 2 → Cu 0 +Cl 2
Metalo srovės išėjimas (95-100%).
NaNO 3 tirpalo elektrolizė
Kadangi natris įtampų serijoje yra daug anksčiau nei vandenilis, vanduo bus išleidžiamas katode. Prie anodo taip pat bus išleistas vanduo.
|
Katodas (-) |
|
2 H 2 O+ 2ē →H 2 + 2 Oi – |
|
2H 2 O–4ē → 4H + +O 2 . |
Taigi prie katodo išsiskiria vandenilis ir susidaro šarminė aplinka, prie anodo – deguonis, o šalia anodo susidaro rūgštinė aplinka. Jei anodo ir katodo erdvės nėra atskirtos viena nuo kitos, tirpalas visose jo dalyse išliks elektriškai neutralus.
|
Katodas (-) |
|
|
2 H 2 O+ 2ē →H 2 + 2 Oi – |
|
|
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
Dabartinė metalo išeiga yra lygi nuliui.
Todėl NaNO 3 tirpalo elektrolizės metu įvyks vandens elektrolizė. NaNO 3 druskos vaidmuo sumažėja iki tirpalo elektrinio laidumo padidėjimo.
FeSO 4 tirpalo elektrolizė
Reakcijos prie katodo (-) (redukcijos):
|
a) Fe 2+ + 2ē → Fe 0 |
vienalaikės reakcijos |
|
b) 2 H 2 O+ 2ē →H 2 + 2 Oi – . |
Reakcija prie anodo (+) (oksidacija):
2H 2 O–4ē → 4H + +O 2 .
Dabartinė metalo galia yra vidutinė.
KJ tirpalo elektrolizė su netirpiu anodu
|
Katodas (-) |
|
|
2 H 2 O+ 2ē →H 2 + 2 Oi – |
|
|
2J – – 2ē → J 2 |
2 H 2 O + 2J – → H 2 + 2 Oi – + J 2 .
Galutinė tirpalo KJ elektrolizės reakcijos lygtis:
2KJ+2H 2 O → H 2 + J 2 + 2KOH.
CuSO 4 tirpalo elektrolizė variniu (tirpusiu) anodu.
Standartinis vario potencialas yra +0,337 V, tai yra daug didesnis nei -0,41 V; todėl elektrolizės metu prie katodo CuSO 4 tirpalo įvyksta Cu 2+ jonų išlydis ir išsiskiria metalinis varis. Prie anodo vyksta priešingas procesas - metalo oksidacija, nes vario potencialas yra daug mažesnis nei vandens oksidacijos potencialas (+1,228 V), o juo labiau - SO 4 2- jono oksidacijos potencialas ( +2,01 V). Vadinasi, šiuo atveju elektrolizė sumažinama iki anodo metalo (vario) ištirpimo ir jo atskyrimo prie katodo.
Vario sulfato tirpalo elektrolizės schema:
|
Katodas (-) |
|
Cu 2+ + 2ē → Cu 0 |
|
Cu 0 – 2ē → Cu 2+ . |
Šis procesas naudojamas elektriniam metalų valymui (vadinamasis elektrolitinis rafinavimas).
Kas yra elektrolizė? Norėdami lengviau suprasti atsakymą į šį klausimą, įsivaizduokime bet kurį nuolatinės srovės šaltinį. Kiekvienam nuolatinės srovės šaltiniui visada galite rasti teigiamą ir neigiamą polių:
Sujungkime prie jo dvi chemiškai atsparias elektrai laidžias plokštes, kurias vadinsime elektrodais. Plokštė, prijungta prie teigiamo poliaus, vadinama anodu, o prie neigiamo poliaus - katodu:
Natrio chloridas yra elektrolitas; tirpdamas jis disocijuoja į natrio katijonus ir chlorido jonus:
NaCl \u003d Na + + Cl -
Akivaizdu, kad neigiamo krūvio chloro anijonai pateks į teigiamai įkrautą elektrodą – anodą, o teigiamai įkrauti Na + katijonai – į neigiamo krūvio elektrodą – katodą. Dėl to išsiskirs ir Na + katijonai, ir Cl - anijonai, tai yra, jie taps neutraliais atomais. Iškrova vyksta per elektronų gavimą Na + jonų atveju ir elektronų praradimą Cl - jonų atveju. Tai yra, procesas vyksta katodu:
Na + + 1e − = Na 0,
Ir ant anodo:
Cl − − 1e − = Cl
Kadangi kiekvienas chloro atomas turi nesuporuotą elektroną, vienas jų egzistavimas yra nepalankus ir chloro atomai susijungia į dviejų chloro atomų molekulę:
Сl∙ + ∙Cl \u003d Cl 2
Taigi iš viso anode vykstantis procesas teisingiau parašytas taip:
2Cl - - 2e - = Cl 2
Tai yra, mes turime:
Katodas: Na + + 1e − = Na 0
Anodas: 2Cl - - 2e - = Cl 2
Apibendrinkime elektroninį balansą:
Na + + 1e − = Na 0 |∙2
2Cl − − 2e − = Cl 2 |∙1<
Pridėkite abiejų lygčių kairę ir dešinę puses pusinės reakcijos, mes gauname:
2Na + + 2e - + 2Cl - - 2e - = 2Na 0 + Cl 2
Du elektronus redukuojame taip pat, kaip tai daroma algebroje, gauname joninę elektrolizės lygtį:
2NaCl (l.) => 2Na + Cl 2
Teoriniu požiūriu aukščiau aptartas atvejis yra paprasčiausias, nes natrio chlorido lydaloje tarp teigiamai įkrautų jonų buvo tik natrio jonų, o tarp neigiamų - tik chloro anijonų.
Kitaip tariant, nei Na + katijonai, nei Cl - anijonai neturėjo "konkurentų" dėl katodo ir anodo.
O kas atsitiks, pavyzdžiui, jei vietoj natrio chlorido lydalo per jo vandeninį tirpalą bus leidžiama srovė? Šiuo atveju taip pat pastebima natrio chlorido disociacija, tačiau metalinio natrio susidarymas vandeniniame tirpale tampa neįmanomas. Juk žinome, kad šarminių metalų atstovas natris yra itin aktyvus metalas, kuris labai smarkiai reaguoja su vandeniu. Jei tokiomis sąlygomis natrio redukuoti nepavyks, tai kas bus redukuota prie katodo?
Prisiminkime vandens molekulės sandarą. Tai yra dipolis, tai yra, jis turi neigiamą ir teigiamą polius:
Dėl šios savybės jis gali „prilipti“ tiek prie katodo, tiek prie anodo paviršiaus:
Gali vykti šie procesai:
2H 2O + 2e - \u003d 2OH - + H2
2H 2O - 4e - \u003d O 2 + 4H+
Taigi paaiškėja, kad jei svarstysime bet kurio elektrolito tirpalą, pamatysime, kad elektrolito disociacijos metu susidarę katijonai ir anijonai konkuruoja su vandens molekulėmis dėl redukcijos prie katodo ir oksidacijos anode.
Taigi kokie procesai vyks prie katodo ir prie anodo? Elektrolito disociacijos arba vandens molekulių oksidacijos/redukcijos metu susidariusių jonų iškrova? O gal visi šie procesai vyks vienu metu?
Priklausomai nuo elektrolito tipo, jo vandeninio tirpalo elektrolizės metu galimos įvairios situacijos. Pavyzdžiui, šarminių, šarminių žemių metalų, aliuminio ir magnio katijonai tiesiog negali būti redukuojami vandens aplinkoje, nes juos redukuojant turėjo susidaryti atitinkamai šarminiai, šarminių žemių metalai, aliuminis arba magnis. metalai, kurie reaguoja su vandeniu.
Šiuo atveju galimas tik vandens molekulių redukcija prie katodo.
Galima prisiminti, koks procesas vyks ant katodo bet kurio elektrolito tirpalo elektrolizės metu, vadovaujantis šiais principais:
1) Jei elektrolitą sudaro metalo katijonas, kuris normaliomis sąlygomis laisvoje būsenoje reaguoja su vandeniu, katode vyksta toks procesas:
2H 2O + 2e - \u003d 2OH - + H2
Tai taikoma metalams, kurie yra Al veiklos serijos pradžioje imtinai.
2) Jei elektrolitas susideda iš metalo katijono, kuris laisvoje formoje nereaguoja su vandeniu, o reaguoja su neoksiduojančiomis rūgštimis, vienu metu vyksta du procesai – tiek metalo katijonų, tiek vandens molekulių redukcija:
Me n+ + ne = Me 0
Šie metalai apima metalus tarp Al ir H aktyvumo serijoje.
3) Jei elektrolitą sudaro vandenilio katijonai (rūgštis) arba metalo katijonai, kurie nereaguoja su neoksiduojančiomis rūgštimis, atkuriami tik elektrolitų katijonai:
2H + + 2e - \u003d H2 - rūgšties atveju
Me n + + ne = Me 0 – druskos atveju
Tuo tarpu anodo situacija yra tokia:
1) Jei elektrolite yra bedeguonių rūgščių likučių anijonų (išskyrus F -), tai jų oksidacijos procesas vyksta anode, vandens molekulės neoksiduojamos. Pavyzdžiui:
2Cl - - 2e \u003d Cl 2
S 2- − 2e = S o
Fluoro jonai prie anodo nesioksiduoja, nes vandeniniame tirpale negali susidaryti fluoras (reaguoja su vandeniu)
2) Jei elektrolite yra hidroksido jonų (šarmų), jie oksiduojasi vietoj vandens molekulių:
4OH - - 4e - \u003d 2H 2 O + O 2
3) Jei ant anodo elektrolite yra deguonies turinčių rūgšties likučių (išskyrus organinių rūgščių likučius) arba fluorido jonų (F -), vyksta vandens molekulių oksidacijos procesas:
2H 2O - 4e - \u003d O 2 + 4H+
4) Jei ant anodo yra rūgštus karboksirūgšties likutis, vyksta toks procesas:
2RCOO - - 2e - \u003d R-R + 2CO 2
Išmokykime rašyti elektrolizės lygtis įvairioms situacijoms:
1 pavyzdys
Parašykite procesų, vykstančių katode ir anode cinko chlorido lydalo elektrolizės metu, lygtis, taip pat bendrąją elektrolizės lygtį.
Sprendimas
Kai cinko chloridas ištirpsta, jis disocijuoja:
ZnCl 2 \u003d Zn 2+ + 2Cl -
Be to, reikia atkreipti dėmesį į tai, kad elektrolizės metu vyksta cinko chlorido lydalas, o ne vandeninis tirpalas. Kitaip tariant, be galimybių katode gali įvykti tik cinko katijonų redukcija, o anode – chlorido jonų oksidacija. nėra vandens molekulių
Katodas: Zn 2+ + 2e − = Zn 0 |∙1
Anodas: 2Cl − − 2e − = Cl 2 |∙1
ZnCl 2 \u003d Zn + Cl 2
2 pavyzdys
Parašykite procesų, vykstančių katode ir anode, elektrolizės metu cinko chlorido vandeniniam tirpalui, lygtis ir bendrąją elektrolizės lygtį.
Kadangi šiuo atveju vandeninis tirpalas yra elektrolizuojamas, teoriškai elektrolizėje gali dalyvauti vandens molekulės. Kadangi cinkas yra aktyvumo eilutėje tarp Al ir H, tai reiškia, kad katode įvyks ir cinko katijonų, ir vandens molekulių redukcija.
2H 2O + 2e - \u003d 2OH - + H2
Zn 2+ + 2e − = Zn 0
Chlorido jonas yra rūgštinė bedeguonės rūgšties HCl liekana, todėl konkuruojant dėl oksidacijos anode chlorido jonai „laimi“ vandens molekules:
2Cl - - 2e - = Cl 2
Šiuo konkrečiu atveju neįmanoma parašyti bendros elektrolizės lygties, nes santykis tarp vandenilio ir cinko, išsiskiriančio ant katodo, nežinomas.
3 pavyzdys
Parašykite procesų, vykstančių katode ir anode, elektrolizės metu vario nitrato vandeniniam tirpalui, lygtis ir bendrąją elektrolizės lygtį.
Vario nitratas tirpale yra disocijuotos būsenos:
Cu(NO 3) 2 \u003d Cu 2+ + 2NO 3 -
Varis yra aktyvumo serijoje į dešinę nuo vandenilio, tai yra, vario katijonai bus redukuoti katode:
Cu 2+ + 2e − = Cu 0
Nitrato jonas NO 3 - yra deguonies turintis rūgšties likutis, o tai reiškia, kad oksiduojantis anode nitratų jonai „praranda“ konkuruodami su vandens molekulėmis:
2H 2O - 4e - \u003d O 2 + 4H+
Šiuo būdu:
Katodas: Cu 2+ + 2e − = Cu 0 |∙2
2Cu 2+ + 2H 2O = 2Cu 0 + O 2 + 4H +
Lygtis, gauta sudėjus, yra joninė elektrolizės lygtis. Norėdami gauti visą molekulinės elektrolizės lygtį, į gautos joninės lygties kairę ir dešinę pusę kaip priešionus turite pridėti 4 nitratų jonus. Tada gausime:
2Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O = 2Cu 0 + O 2 + 4HNO 3
4 pavyzdys
Parašykite procesų, vykstančių katode ir anode, elektrolizės metu kalio acetato vandeniniam tirpalui, lygtis ir bendrąją elektrolizės lygtį.
Sprendimas:
Kalio acetatas vandeniniame tirpale disocijuoja į kalio katijonus ir acetato jonus:
CH 3 COOK \u003d CH 3 COO − + K +
Kalis yra šarminis metalas, t.y. pačioje pradžioje yra elektrocheminėje įtampų serijoje. Tai reiškia, kad jo katijonai negali išsikrauti prie katodo. Vietoj to bus atkurtos vandens molekulės:
2H 2O + 2e - \u003d 2OH - + H2
Kaip minėta aukščiau, karboksirūgščių rūgščių likučiai „laimi“ konkuruojant dėl oksidacijos iš vandens molekulių anode:
2CH 3 COO - - 2e - \u003d CH 3 -CH 3 + 2CO 2
Taigi, susumavus elektroninį balansą ir pridėjus dvi pusės reakcijų prie katodo ir anodo lygtis, gauname:
Katodas: 2H 2 O + 2e − = 2OH − + H 2 |∙1
Anodas: 2CH 3 COO - - 2e - \u003d CH 3 -CH 3 + 2CO 2 | ∙ 1
2H 2 O + 2CH 3 COO - \u003d 2OH - + H2 + CH 3 -CH 3 + 2CO 2
Gavome visą elektrolizės lygtį jonine forma. Pridėjus du kalio jonus į kairę ir dešinę lygties puses ir sudėjus juos su priešjonais, gauname visą elektrolizės lygtį molekuline forma:
2H 2 O + 2CH 3 COOK \u003d 2KOH + H 2 + CH 3 -CH 3 + 2CO 2
5 pavyzdys
Parašykite procesų, vykstančių prie katodo ir anodo sieros rūgšties vandeninio tirpalo elektrolizės metu, lygtis, taip pat bendrąją elektrolizės lygtį.
Sieros rūgštis disocijuoja į vandenilio katijonus ir sulfato jonus:
H 2 SO 4 \u003d 2H + + SO 4 2-
Vandenilio katijonai H + bus redukuojami prie katodo, o vandens molekulės bus oksiduojamos prie anodo, nes sulfato jonai yra deguonies turinčios rūgšties liekanos:
Katodas: 2Н + + 2e − = H 2 |∙2
Anodas: 2H 2O - 4e - = O 2 + 4H + |∙1
4H+ + 2H2O \u003d 2H2 + O2 + 4H+
Sumažinus vandenilio jonus kairėje ir dešinėje bei kairėje lygties pusėse, gauname vandeninio sieros rūgšties tirpalo elektrolizės lygtį:
2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2
Kaip matyti, sieros rūgšties vandeninio tirpalo elektrolizė redukuojama iki vandens elektrolizės.
6 pavyzdys
Parašykite procesų, vykstančių katode ir anode, elektrolizės metu natrio hidroksido vandeniniam tirpalui, lygtis ir bendrąją elektrolizės lygtį.
Natrio hidroksido disociacija:
NaOH = Na + + OH -
Prie katodo bus redukuotos tik vandens molekulės, nes natris yra labai aktyvus metalas, o anode tik hidroksido jonai:
Katodas: 2H 2 O + 2e − = 2OH − + H 2 |∙2
Anodas: 4OH − − 4e − = O 2 + 2H 2 O |∙1
4H 2 O + 4OH - \u003d 4OH - + 2H 2 + O 2 + 2H 2 O
Sumažinkite dvi vandens molekules kairėje ir dešinėje bei 4 hidroksido jonus ir padarysime išvadą, kad, kaip ir sieros rūgšties atveju, vandeninio natrio hidroksido tirpalo elektrolizė redukuojama iki vandens elektrolizės.
