double arrow

ЭЛЕКТРОЛИЗ



Электролизомназывается окислительно-восстановительная реакция, которая протекает на электродах при пропускании через раствор или расплав электролита электрического тока.

При этом катод электролизёра подключается к отрицательному полюсу источника тока, анод - к положительному. Аноды, используемые при электролизе, подразделяются на инертные (графит, уголь, Рt, Аu, Jr)и активные, или растворимые (все остальные металлы). Активные анодырастворяются в первую очередь в ходе электролиза: Ме0 – nē = Men+.

При электролизе с инертным анодом в первую очередь окисляются простые ионы (I-, Br-, Cl-,OH-).Если таких ионов в растворе нет, то тогда окисляются молекулы воды: 2 H2O - 4ē = O2 + 4H+. Сложные ионы (SO и др.) из водных растворов не окисляются – вместо них окисляется вода.

Последовательность процессов окисления на аноде можно представить следующей схемой:

На катоде более легко восстанавливаются частицы с наибольшим электродным потенциалом. Продукты восстановления определяются величиной стандартного электродного потенциала металла. Последовательность разряда на катоде в водной среде можно представить следующей схемой:




В соответствии с этой схемой из водных растворов восстанавливаются только те металлы, у которых электродный потенциал jMe/Men+>jH2O= -0,41 B.

Активное разложение воды происходит при потенциале металла jMe/Men+< -1,4 B.Как видно из рисунка, существует зона конкурирующих процессов (-1,4 B < jMe/Men+ < -0,41 B).

В расплавах молекулы воды отсутствуют. Поэтому на катоде и аноде протекают процессы с участием только ионов расплава.

Пример 1. Составьте электронные уравнения катодных и анодных процессов, протекающих при электролизе раствора K2SO4 с графитовыми электродами.

Решение. В водном растворе сульфат калия K2SO4 диссоциирует на ионы:

K2SO4 « 2K+ + SO42-

К катоду подходят катионы К+ и H2O, к аноду – анионы SO42- и Н2О. Поскольку потенциал системы jк/к+ = -2,924 В (табл. 6, с. 49) меньше, чем –1,4, то на катоде будут восстанавливаться частицы воды (см. схему).

Анионы SO42- - это сложные ионы, и в водных растворах они не окисляются, поэтому на аноде разряжаются молекулы воды:

- К: К+, Н2О 2 Н2О + 2ē ® 2OH- + H2 – восстановление

+А: SO42-, H2O 2 Н2О – 4ē ® 4 H+ + O2 – окисление

Раствор у катода подщелачивается (ионы ОН-), у анода – становится более кислым (ионы Н+).

Суммарное уравнение реакции:

K2SO4 + 4Н2О 2­+ 2 КОН + H2SO4 + O2­



KOH и H2SO4 образуются из ионов К+ и ОН-, Н+ и SO42-, находящихся в растворе.

Пример 2.Составьте электронные уравнения катодных и анодных процессов, протекающих при электролизе раствора CuCl2 с медным анодом.

Решение. Уравнение диссоциации соли имеет вид:

CuCl2 « Cu2+ + 2Cl-

К катоду подходят катионы Cu2+ и H2O;к аноду – ионы Cl- и H2O. Медный анод – растворимый, он принимает участие в электродной реакции. Потенциал меди составляет j0Cu/Cu2+ = 0,34 B, т.е. jCu/Cu2+>j = –0,41 B. На катоде в соответствии с приведенной схемой будут восстанавливаться катионы Cu2+. В анодном процессе окисляется материал анода.

- К: Cu2+, H2O Cu2+ + 2ē ® Cu

+A: Cl-, H2O, Cu Cu - 2ē ® Cu2+

В ряде случаев путем изменения концентрации ионов соли можно изменить величину потенциала разряда иона и в соответствии с приведенной схемой уменьшить скорость разряда молекул воды.

Это необходимо учитывать при практическом использовании электролиза. Минимальный потенциал, при котором процесс электролиза становится возможным, называется потенциалом (напряжением) разложения Ер вещества. Его теоретическую величину находят как разность электродных потенциалов для процессов, происходящих на электродах:

Ер = jА - jк. (42)

Количественная характеристика процессов электролиза даётся законами Фарадея. Им можно дать следующую общую формулировку:

Масса электролита, подвергшаяся превращению при электролизе, а также массы образующихся на электродах веществ прямо пропорциональны количеству электричества, прошедшего через раствор или расплав электролита, и эквивалентным массам соответствующих веществ.

Закон Фарадея выражается следующим уравнением:

, (43)

где А – атомная масса вещества;

n – заряд иона;

I – сила тока, А;

t – время пропускания тока, с.

Эквивалентная масса вещества Э = . Поскольку обычно имеются конкурирующие процессы, законы Фарадея нуждаются в поправках.

Отношение массы фактически выделившегося на электроде вещества mпр. к массе вещества, которая должна была выделиться в соответствии с законом Фарадея, называется выходом по току h:

h = .(44)

Пример 3Электрический ток силой 1А проходит в течение 1 часа через раствор ZnCl2 (электроды инертные). Определите количество выделившегося на катоде за указанное время цинка, если выход по току hравен 64%. Объясните, на какие процессы расходуется остальной ток.

Решение. Потенциал jZn0/Zn2+ = -0.76 B (см. табл. 5) и лежит в области –1,4 В <j < -0,41 В. Следовательно, на катоде будет идти совместный разряд Zn2+ и молекул воды:

Zn2+ + 2ē ® Zn

частично: 2H2O + 2ē ® 2OH- + H2­

Для определения количества выделившегося на катоде цинка воспользуемся уравнением закона Фарадея:

Выход по току h = ;

отсюда

mпр = .

На получение цинка на катоде расходуется 64% всего прошедшего через электролит тока, остальной ток тратится на восстановление воды.

ЗАДАЧИ

201-205.Составьте электронные уравнения процессов, протекающих на катоде и аноде при электролизе расплава А, растворов Б и В (формулы веществ см. в табл.). В случае соединений А и Б использовались инертные электроды, а при электролизе В – растворимый анод. Масса твердого вещества, выделившегося на катоде при электролизе раствора Б при прохождении тока I, А в течение tчасов, составляет m, г. Вычислите выход по току.

Объясните, почему в ряде случаев не весь ток расходуется на выделение металла.

№ задачи Соединения Растворимый анод I, A t, ч m, г Ответы, %
А Б В
KCl SnCl2 ZnSO4 Zn 8,5 36,6
FeCl2 ZnSO4 MgCl2 Mg 1,5 11,3
NaOH FeCl2 MnSO4 Mn 0,5 4,2
PbCl2 Cu(NO3)2 FeCl2 Fe 7,1
Ca(OH)2 NiCl2 AlCl3 Al 9,3 18,8 91,1

206-210.Составьте электронные уравнения процессов, протекающих на катоде и аноде при электролизе расплава А, растворов Б и В (формулы веществ см. в табл.). В случае соединений А и Б использовались инертные электроды, соединения В – растворимый анод.

Вычислите время, необходимое для получения электролизом 100 г металла из раствора Б при силе тока I, A, если выход по току h.

№ задачи Соединения Растворимый анод I, A h, % Ответы, ч.
А Б В
SnCl2 Fe(NO3)2 NiSO4 Ni 66,7
Ni(OH)2 CoCl2 Pb(NO3)2 Pb 9,5
MgCl2 NiSO4 ZnSO4 Zn 6,4 17,3
ZnCl2 AgNO3 CuCl2 Cu 14,8 1,7
CuBr2 Cd(NO3)2 AgNO3 Ag 8,7 6,4

211-215.Составьте электронные уравнения процессов, протекающих на катоде и аноде при электролизе расплава А, растворов Б и В (формулы веществ см. в табл.). В случае соединений А и Б использовались инертные электроды, соединения В – растворимый анод. Как изменится масса анода после пропускания тока силой I, A в течение времени t, ч через раствор В.

№ задачи Соединения Растворимый анод I, A t, ч Ответы, г
А Б В
NaJ MgSO4 ZnCl2 Zn 8,5 20,6
CaCl2 Cu(NO3)2 FeCl2 Fe 31,3
RbCl AgNO3 CuSO4 Cu 7,5 2,5 22,4
KOH ZnCl2 CoCl2 Co 3,7 4,1
CuCl2 NaNO3 Pb(NO3)2 Pb 2,5 38,6

216-220.Составьте электронные уравнения процессов, протекающих на катоде и аноде при электролизе расплава А, растворов Б и В(формулы веществ см. в табл.). В случае соединений А и Б использовались инертные электроды, соединения В – растворимый анод.

Сколько граммов кислоты образуется возле анода при электролизе раствора Б, если на аноде выделилось 1,12 л кислорода, измеренного при н.у.?

Вычислите массу вещества, выделяющегося на катоде.

№ задачи Соединения Растворимый анод Ответы, г
А Б В
KOH Na2SO4 NiCl2 Ni 4,9; 0,2
RbCl Li2SO4 Pb(NO3)2 Pb 4,9; 0,2
NaCl Ni(NO3)2 AgNO3 Ag 12,6; 5,9
AlCl3 Fe2(SO4)3 CuSO4 Cu 9,8; 3,7
NaJ Cu(NO3)2 ZnCl2 Zn 12,6; 6,4


Сейчас читают про: