Электролиз (теория и задание)

Тема урока: «Электролиз»

Ознакомьтесь с теоретическим материалом, выполните предложенные задания

Литература: Учебник Габриелян О.С., Лысова Г.Г. Химия 11кл.угл ур. §21

Понятие электролиза

Электролиз – это окислительно-восстановительная реакция, которая протекает под действием электрического тока на электродах, погруженных в раствор или расплав электролита.

Существует два типа электродов.

 Анод – это электрод, на котором происходит окисление.

 Катод – это электрод, на котором происходит восстановление. К аноду стремятся анионы, так как он имеет положительный заряд. К катоду стремятся катионы, потому что он заряжен отрицательно и, согласно законам физики, разноименные заряды притягиваются. В любом электрохимическом процессе присутствуют оба электрода. Прибор, в котором осуществляется электролиз, называется электролизер. Рис. 1.

Рис. 1

Электролиз расплава

I. Процессы, происходящие при электролизе расплавов электролитов

В расплавах электролиты диссоциируют на ионы. Это термическая диссоциация электролитов. При пропускании электрического тока катионы восстанавливаются на катоде, так как принимают от него электроны. Анионы кислотного остатка и гидроксид-анионы окисляются на катоде, так как отдают ему свои электроны.

Пример №1. Электролиз расплава хлорида натрия

При термической диссоциации хлорида натрия образуются ионы натрия и хлора.

Na Cl  →  Na⁺ +  Cl⁻

–  на катоде выделяется натрий:

2 Na⁺ + 2 e⁻ → 2 Na

–  на аноде выделяется хлор:

2 Cl⁻ − 2 e⁻ → Cl₂

– суммарное ионное уравнение реакции (уравнение катодного процесса помножили на 2)

2 Na⁺ + 2 Cl⁻ → 2 Na⁰ + Cl⁰₂

–  суммарная реакция:

2 NaCl  2 Na + Cl₂

Пример №2. Электролиз расплава гидроксида калия

При  диссоциации гидроксида калия образуются ионы калия и гидроксид ионы.

КОН  →  К⁺ +  ОН⁻

–  на катоде выделяется калий:

К⁺ + 1 e⁻ →  К

–  на аноде выделяется кислород и вода:

4ОН⁻ − 4 e⁻ → О₂ + 2Н₂О

–  суммарное ионное уравнение реакции (уравнение катодного процесса помножили на 4)

4К⁺ + 4ОН⁻ → 4 К⁰ + О₂ + 2Н₂О

–  суммарная реакция:

4КОН  4 К⁰ + О₂ + 2Н₂О

Пример №3. Электролиз расплава сульфата натрия

При диссоциации расплава сульфата натрия образуются ионы натрия и сульфат-ионы.

Na₂SO₄  →  2Na⁺ + SО₄²⁻

– на катоде выделяется натрий:

Na⁺ + 1 e⁻ →  Na

– на аноде выделяется кислород  и оксид серы (VI):

2SО₄²⁻ − 4 e⁻ → 2SО₃ +О₂

–  суммарное ионное уравнение реакции (уравнение катодного процесса помножили на 4)

4 Na⁺ + 2SО₄²⁻ → 4 Na ⁰ + 2SО₃ +О₂

– суммарная реакция:

2 Na₂SO₄ 4 Na ⁰ + 2SО₃ +О₂

Закономерности электролиза расплавов электролита

1. При электролизе расплавов щелочей и солей на катоде осаждается металл.

2. Анионы бескислородных кислот окисляются на аноде, давая соответствующее соединение, например, хлорид-анионы образуют хлор.

3. Анионы кислородсодержащих кислот образуют соответствующий оксид и кислород.

Электролиз раствора

II. Процессы, происходящие при электролизе растворов электролитов

При электролизе растворов электролитов, кроме интересующих нас соединений есть еще и вода, которая также может подвергаться электролизу. Поэтому, исходя из строения соединения, электролиз может протекать либо с ионами соли, либо с водой.

Процессы, происходящие на катоде

1.  Катионы активных металлов, стоящие в ряду напряжений до алюминия, не разряжаются на катоде. См. рис. 2. В этом случае происходит только восстановление воды.

Рис. 2

2Н₂О+2 e⁻ → Н₂ + 2ОН⁻

2.  Катионы металлов, расположенных в ряду напряжений от алюминия до водорода, разряжаются в той или иной степени одновременно с молекулами воды. При этом одновременно происходят следующие процессы:

Meⁿ⁺+ne^- → Me

2Н₂О+2 e⁻ → Н₂ + 2ОН⁻

3.  При наличии в растворе катионов металлов, расположенных в ряду напряжений после водорода, на катоде, прежде всего, происходит восстановление катионов этих металлов. Meⁿ⁺+ne^- →Me

Процессы, происходящие на аноде

Различают два типа анодов: инертный и активный. Инертный анод – это анод, материал которого не окисляется в процессе электролиза (Pt). Активный анод – это анод, который окисляется в процессе электролиза. Например, графит.

Электролиз с инертным анодом

В анодном процессе могут принимать участие анионы некоторых бескислородных кислот Cl^- ,Br^- ,I^-, S^2-и гидроксид-ионы ОН ^-( разряжаются только эти анионы), например:

2Br^- - 2е^- →Br_2;  4ОН⁻ − 4 e⁻ → О₂ +2Н₂О (в щелочной среде)

Если в растворе присутствуют анионы F^-,SO^2-₄, NO^-₃, PO₄^3-, CO₃^2- и некоторые другие, то окислению подвергается только вода:

2Н₂О - 4 e⁻ → О₂ + 4Н⁺(в нейтральной и кислой среде)

Электролиз с активным анодом

В случае с активным анодом, число конкурирующих окислительных процессов увеличивается до трех:

- Электрохимическое окисление материала анода

- Окисление воды с выделением кислорода

- Окисление анионов растворенного соединения

Написание таких процессов рассматривается в высшей школе.

Примеры написания уравнений электролиза

Приведем примеры электролиза раствора некоторых веществ.

Пример №1. Электролиз раствора хлорида натрия

При диссоциации хлорида натрия образуются ионы натрия и хлора.

Na Cl  →  Na⁺ +  Cl⁻

– Катодный процесс:

2Н₂О+2 e⁻ → Н₂ + 2ОН⁻

– Анодный процесс:

2 Cl⁻ − 2 e⁻ → Cl₂

– суммарное ионное уравнение реакции

2Н₂О + 2 Cl⁻ → Н₂ + 2ОН⁻+ Cl⁰₂

– суммарная реакция:

2Н₂О +2 NaCl  2NaОН + Cl₂↑ + Н₂↑

По этой реакции получается гидроксид натрия и хлор.

Пример №2. Электролиз раствора сульфата меди (II).

– на катоде выделяется медь:

Сu²⁺ + 2 e⁻ →  Cu⁰

–  на аноде выделяется кислород  

2Н₂О - 4 e⁻ → О₂ + 4Н⁺

– суммарное ионное уравнение реакции (уравнение катодного процесса помножили на 2)

2Сu²⁺ + 2Н₂О → 2 Cu⁰+ О₂ + 4Н⁺

–  суммарная реакция:

2CuSO₄ + 2Н₂О   2Cu ⁰+О₂+ 2H₂SO₄

Пример №3. Электролиз раствора нитрата калия

При  диссоциации нитрата калия образуются ионы калия и нитрат-ионы.

КNO₃ → К⁺ +  NО₃⁻

–  Катодный процесс:

2Н₂О+2 e⁻ → Н₂ + 2ОН⁻

–  Анодный процесс:

2Н₂О - 4 e⁻ → О₂ + 4Н⁺

– суммарное ионное уравнение реакции (уравнение катодного процесса помножили на 2)

2Н₂О   О₂ ↑+2Н₂↑

Это один из способов получения водорода.

Электролиз находит применение во многих отраслях промышленности: химической, металлургии, для изготовления деталей требуемой формы, для электрохимического покрытия металлов.

Выполните задания

1. Напишите в молекулярном и ионном виде уравнения электро­лиза расплавов следующих веществ (электроды инертные):

1 вариант - хло­рид меди(II);

2 вариант - бромид кальция.

1. Составьте уравнения процессов, протекающих на электродах, при электролизе водных растворов следующих веществ:

1 вариант - сульфат цинка;

2 вариант - нитрат свинца(II).