9,11 класс ЭЛЕКТРОЛИЗ Электролиз – окислительно

9,11 класс
ЭЛЕКТРОЛИЗ
Электролиз – окислительно-восстановительная реакция, протекающая на
электродах с участием электрического тока. Процессы восстановления и
окисления при электролизе пространственно разъединены. Роль
восстановителя выполняет отрицательный электрод – катод, имеющий
избыток электронов и отдающий электроны подходящим к катоду катионам
(положительным ионам). На катоде протекает процесс восстановления. Роль
окислителя выполняет положительный электрод – анод, у которого
недостаток электронов и вследствие этого положительный заряд. Анод
«забирает» электроны у притягивающихся к нему анионов (отрицательных
ионов). На аноде протекает процесс окисления.
При электролизе расплавов на катоде восстанавливаются катионы, а на
аноде окисляются анионы, входящие в состав исходного вещества.
ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСПЛАВА ХЛОРИДА НАТРИЯ
NаСl = Nа+ + СlКатионы натрия притягиваются к катоду, анионы хлора притягиваются к
аноду.
Катод (-) Nа+ +1е-→ Nа0 2 – восстановление
Анод (+) 2 Сl- - 2е- → Сl20 1 – окисление
Складываем сначала левые, а затем правые части полуреакций с учётом
множителя на катодном процессе, который появился вследствие применения
принципа электронного баланса:
2 Nа+ + 2 Сl- −электролиз→ 2 Nа0 + Сl20
Это ионное уравнение электролиза. Чтобы получить молекулярное
уравнение, соединяем в левой части катионы и анионы в условную молекулу
хлорида натрия:
2 NаСl −электролиз→ 2 Nа0 + Сl20
Электролиз расплава хлорида натрия применяется для получения натрия и
хлора.
Более сложным случаем электролиза является электролиз растворов,
так как в электродных процессах могут участвовать молекулы воды.
Катодный и анодный процессы протекают независимо друг от друга и
определяются тем, какие именно ионы к ним подошли.
ПОЦЕССЫ НА КАТОДЕ:
Основные
Соответствующие
типы катионов
катодные процессы
катионы металлов, стоящих в ряду
катодное восстановление воды:
напряжений до алюминия
2Н2О + 2 е- =2Н2 + 2ОН(включая алюминий)
на катоде выделяется водород, в
прикатодном пространстве
накапливается щёлочь,
соответствующая катиону
катионы металлов, стоящих в ряду
катодное восстановление металлов
напряжений после
Меn++ n+ =Ме0
водорода
катионы металлов, стоящих в ряду
напряжений между магнием и
водородом
одновременно восстанавливаются и
металл, и вода;
восстановление воды можно
подавить, применяя платиновый
катод, высокую плотность тока и
снижая температуру проведения
электролиза (перенапряжение
водорода); в этих условиях на катоде
восстанавливается только металл
+
катионы Н из растворов кислот
2Н+ + 2е- =Н2
Некоторые особые случаи
катионы щелочных металлов на
восстановление металла и
ртутном катоде
образование его амальгамы
(раствора в ртути)
+
NH4
катодное восстановление воды:
2Н2О + 2 е- =2Н2 + 2ОНдополнительно можно учитывать:
NH4+ + ОН- = NH4ОН
NH4ОН = NH3 + Н2О
на катоде в этом случае выделяются
аммиак и водород
ПРОЦЕССЫ НА АНОДЕ
Основные виды анионов
Соответствующие анодные
процессы
Cl-, Br-, I-, S2на аноде образуются галогены или
сера
кислотные остатки
кислородсодержащих кислот
(сульфат, нитрат, фосфат, карбонат,
перхлорат ClO4-)
и фторид-анион
кислотные остатки
карбоновых кислот (RСОО-)
например:
2Cl- - 2е- = Сl2
S2- - 2е- = S0
анодное окисление воды:
2Н2О - 4 е- =4Н+ + О2
на аноде выделяется кислород,
в прианодном пространстве
накапливается кислота,
соответствующая аниону
2RСОО- -2е- = R-R + 2СО2
на аноде выделяется углекислый газ и
образуется алкан, содержащий в 2
раза больше атомов углерода, чем
радикал исходной соли
анионы ОН из расплавов щелочей
4ОН- - 4е- = О2+ 2Н2О
Некоторые особые случаи
кислотные остатки-восстановители
NO2- +H2O - 2e- = NO3- + 2H+
(сульфит, нитрит) окисляются
SO32- +H2O - 2e- = SO42-+ 2H+
у анода накапливаются азотная или
серная кислота
карбонат-анион
дополнительно можно учитывать, что
образующиеся при анодном
окислении воды ионы Н+
соединяются с карбонат-анионами в
угольную кислоту. которая
разлагается на углекислый газ и воду:
СО32- + 2Н+ = Н2СО3
Н2СО3 = СО2 + Н2О
На аноде выделяются и кислород, и
углекислый газ
гипохлорит, хлорит и хлорат-анионы
ClO + 3Н2О - 6e- = ClO4- +6H+
могут окисляться до перхлоратClO2- + 2Н2О - 4e- = ClO4- +4H+
анионов
ClO3- + Н2О - 2e- = ClO4- +2H+
у анода накапливается хлорная
кислота
Примеры:
ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРА ХЛОРИДА НАТРИЯ
Натрий стоит в ряду напряжений до алюминия, значит, на катоде
пойдёт катодное восстановление воды. На аноде будут окисляться хлориданионы:
Катод (-)2Н2О + 2 е- =2Н2 + 2ОН- 1 - восстановление
Анод (+) 2 Сl- - 2е- → Сl20
1 – окисление
Принцип электронного баланса дополнительных коэффициентов не даёт, так
как и принято, и отдано по 2 электрона. Складываем левые и правые части
полуреакций, электроны при этом взаимно уничтожаются.
2Н2О +2 Сl- −электролиз→2Н2 + 2ОН- + Сl20
Чтобы перейти к молекулярному уравнению, учитываем, что 2 иона
2 Сl- в левой части образуются при диссоциации 2-х условных молекул
хлорида натрия, и в растворе присутствуют 2 катиона натрия. В правой
части они связываются с гидроксид - анионами в гидроксид натрия:
2Н2О +2 NаСl−электролиз→2Н2 + 2NаОН+ Сl20
При электролизе раствора натрий не образуется. Образуются водород,
щёлочь и хлор.
ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРА СУЛЬФАТА МЕДИ
СuSО4= Сu2+ + SО42На катоде будет протекать катодное восстановление меди:
Катод (-)→ Сu2+ + 2е- → Сu0
На
аноде,
к
которому
притягиваются
кислотные
остатки
кислородсодержащей кислоты, пойдёт анодное окисление воды
Анод (+) → 2Н2О -4 е- = 4Н+ + О2
На катодный процесс идёт коэффициент 2.
Складываем левые и правые части полуреакций с учётом коэффициента:
2Сu2+ + 2Н2О −электролиз→ 2Сu0 + + 4Н+ + О2
При переходе к молекулярному уравнению учитываем, что при образовании
2-х катионов меди в растворе одновременно образуются 2 сульфат - иона,
которые в правой части связываются с ионами водорода в серную кислоту.
Серной кислоты образуется 2 молекулы, так как ионов водорода было 4, а
сульфат - анионов – 2.:
2Сu SО4 + 2Н2О −электролиз→ 2Сu0 + + 2Н2SО4 + О2
При электролизе раствора сульфата меди катод покрывается слоем меди, на
аноде выделяется кислород, возле анода накапливается серная кислота.
ЗНАЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОЛИЗА
1. При изучении электролиза был открыт электрон как частица – носитель
минимального электрического заряда итальянским физиком Стоуни.
Явление электролиза – одно из доказательств сложного строения
атома.
2. С помощью электролиза получают металлы, галогены, водород,
кислород, кислоты, щёлочи.
3. Гальваностегия - нанесение защитных металлических покрытий.
4. Гальванопластика - воспроизведение поверхностей сложной формы.