Электролиз.

Электролиз – окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита.

Электролиты: соли, щёлочи, кислоты.

Электролиз – дословно: «лизис» - разложение, «электро» - электрическим током.

Электролиз осуществляется в электролизёрах. К раствору или расплаву электролита погружают две токопроводящие пластины – ЭЛЕКТРОДЫ, которые подключены к клеммам постоянного тока.

(–) КАТОД ← ЭЛЕКТРОДЫ → (+) АНОД

подключен к(-) подключён к (+) клемме,

клемме, где избыток ē. где нехватка ē.

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ВАННА.

1. Положительные заряжённые ионы (K+, Cu2+, NH4+, Fe2+ и другие), притягиваемые катодом, называются катионом.

2. Отрицательно заряжённые ионы (Cl-, CN-, F-, SO42-, NO3- и др.), притягиваемые анодом, называются анионом.

3. На катоде идёт процесс восстановления катионов: Меп+, H+, H2O.

4. На аноде процесс окисления анионов: Am-, OH-, H2O.

Электролиз расплавов электролитов.

На катоде катионы восстанавливаются в порядке убывания Eo

На аноде анионы окисляются в порядке возрастания Eo.

Электролиз растворов электролитов.

А. Процессы на катоде (восстановление).

Катионы активных металлов

Катионы металлов средней активности

Li+, Cs+, Rb+, K+, Ba2+, Ca2+, Na+, Mg2+, Al3+, NH4+

Mn2+, Zn2+, Cr3+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Sn2+, Pb2+

Металлы не восстанавливаются, а восстанавливаются молекулы H2O:

2H2O + 2ē = H2↑ + 2OH–

Катионы металлов восстанавливаются совместно с молекулами воды:

Men++ nē = Meo

2H2O + 2ē = H2↑+ 2OH–

Катионы водорода

Катионы малоактивных металлов

H+

Cu2+, Hg2+, Ag+, Pt2+, Au3+

Ионы водорода восстанавливаются только при электролизе растворов кислот: 2H++ 2ē = H2↑

Восстанавливаются только катионы металлов:

Men++nē = Meo

Б. процессы на аноде (окисление).

а)Анод нерастворимый (инертный): уголь, графит, платина, золото.

Анионы бескислородных кислот

Анионы кислородсодержащих кислот

I–, Br–, S2–, Cl–

SO42–, NO3–, CO32–, PO43–

Окисляются кислотные остатки

Am– – mē = Ao

Окисляются молекулы воды (H2O)

2H2O – 4ē =O2↑+ 4H+

Анионы OH–

Анионы F–

Окисляются только при электролизе растворов щёлочей

Окисляются только молекулы воды

4OH– – 4ē = O2↑+ 2H2O

2H2O – 4ē = O2↑ + 4H+

б) Анод растворимый (активный), изготовлен из Cu, Ag, Zn, Ni, Fe и др. металлы. Анионы не окисляются. Окисляется сам анод: Мео – nē = Men+

Катионы Men+ переходят в раствор. Масса анода уменьшается.

Примеры электролиза:

ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСПЛАВА

Расплав KOH = K+ + OH–

(–) Катод: K+ + 1ē = Ko │х 4

(+) Анод: 4OH–– 4ē = O2↑+ 2H2O │х 1

4K++ 4OH– = O2↑ + 2H2O↑+ 4Na

4NaOH Эл-з→ 4Na + O2↑ + 2H2O↑

ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРОВ (АНОД ИНЕРТНЫЙ)

Раствор NaCl

(–) Катод ← Na+ Cl– → (+) Анод

H2O H2O

(–) Катод: 2H2O + 2ē = H2↑+ 2OH–

(+) Анод: 2Cl– – 2ē = Cl2↑

2H2O + 2Cl– = H2↑ + Cl2↑ + 2OH–

2H2O+2NaCl=H2↑+Cl2↑+ 2NaOH

Раствор K2SO4

(–) Катод← 2K+ SO42–→ (+) Анод

H2O H2O

(–) Катод: 2H2O+2ē =H2↑+ 2OH– │х 2

(+) Анод: 2H2O–4ē = O2↑+ 4H+ │х 1

2H2O+4H2O = O2↑+4H++4OH–+2H2

2H2O = O2↑ + 2H2↑

Анод растворимый.

Электролиз раствора AgNO3 (анод растворимый – из Ag)

(–) Катод: Ag+ + 1ē = Ago (+) Анод: Ago – 1ē = Ag+

Ago + Ag+ = Ag+ + Ago

Электролиз сводится к переносу серебра с анода на кА

Законы электролиза. Законы Фарадея.

Масса веществ, выделившегося на электроде при электролизе, пропорциональ-

на количеству электричества, которое прошло через электролит:

, где m – масса веществ – продуктов электролиза, гр.

Э – эквивалентная масса вещества, гр.

I – сила тока, А.

F – постоянная Фарадея = 96500 Кл.

t – время электролиза, сек.

Количество двух различных веществ, которые выделяются на электродах с помо-щью одинакового количества электричества, обратно пропорциональны эквивален - ным числам этих веществ.

nA/nB = zB/zA, где nA и nB – количества веществ А и В.

zA и zB – эквивалентные числа веществ А и В в окислительно-восстановительных реакциях.

2. ВЫХОД по току: ή = ∙ 100%

ЗАДАЧА. 200 мл. 10% раствора едкого натра (плотность 1,12г/мл) подвергли электролизу в течение 13ч 24 мин. 10 сек током 25А. Выход по току составил 80%. Вычислите: а) объёмы газов, выделившихся на аноде и катоде при н. у.; б) массовую долю растворённого вещества в растворе, полученном после окончания электролиза.

Решение:

1. Электролиз раствора едкого натра:

(–) Катод: 2H2O + 2ē = 2OH– + H2↑ │ х 2

(+) Анод: 4OH– – 4ē = 2H2O + O2↑ │ х 1

2H2O ЭЛ-З→ 2H2↑+ O2↑ т. е. протекает разложение воды.

2. Находим массу воды по формуле: m(H2O) = (Э(H2O)∙I∙t)/F; Э(H2O) = 18/2 = 9

с учётом выхода по току:

m(H2O) = (Э(H2O)∙I∙ή)/F = (9∙25∙48250∙0,8)/96500 = 90 г.

3. Находим количества вещества воды: ν(H2O) =90/18 = 5моль.

4. Согласно уравнению электролиза

ν(H2O) = ν(H2) = 5моль; ν(O2) = 1/2ν (H2O) = 2,5моль

5. Объём выделившегося на катоде водорода:

V(H2) = ν(H2)∙ Vm = 5 ∙ 22,4 = 112 л.

Объём выделившегося на аноде кислорода:

V(O2) = 2,5 ∙ 22,4 = 56 л.

6. Масса исходного раствора NaOH: m(р-ра) = V ∙ ρ = 200 ∙ 1,12 = 224 г.

7. Масса раствора после электролиза: mı = 224 – 90 = 134 г.

8. Масса NaOH до электролиза: m(NaOH) = V ∙ ω = 224 ∙ 0,10 = 22,4 г.

9. Массовая доля щёлочи после электролиза (после электролиза масса щёлочи не из-менилась): ω(NaOH) = m(NaOH)/ mı (раствора) = 22,4 / 134 = 0,167 или 16,7%