Електроліз водних розчинів електролітів

Електроліз водних розчинів електролітів

Електроліз розчинів електролітів проводити енергетично вигідніше, ніж розплавів, тому, що йонні сполуки плавляться при дуже високих температурах. При електролізі розчинів відбувається конкуренція між розчиненою речовиною і розчинником за участь в електродному процесі.

Мета уроку:

  • поглибити знання про процеси, що відбуваються під час електролізу;
  • навчитися пояснювати суть електролізу, послідовність електродних процесів, що відбуваються під час електролізу розчинів кислот, лугів і солей.

Пригадайте:

  • які процеси відбуваються на електродах під час електролізу розплавів електролітів.

У водних розчинах електролітів, крім йонів, на які дисоціюють ці сполуки, містяться ще й молекули води. Під час електролізу на катоді окрім катіонів металічного елемента можуть відновлюватися атоми Гідрогену з води. В такому випадку на катоді буде виділятися водень, а в розчині – залишатися гідроксид-аніони:

2О + 2ē = Н2↑ + 2ОН.

На аноді окрім аніонів кислотних залишків може окиснюватись Оксиген води, який буде утворювати молекули кисню, а в розчині залишаться катіони Гідрогену:

2О − 4ē = О2↑ + 4Н+.

Таким чином на електродах виникає “конкуренція”. У ній перемагають ті частинки, які легше окиснюються і відновлюються. У першу чергу протікає та реакція, яка вимагає найменшої затрати енергії. Це означає, що відновлюються більш активні окисники, а окиснюються більш активні відновники.

Для вибору найбільш ймовірного процесу на аноді і катоді при електролізі водних розчинів електролітів з інертним електродом (матеріал електрода не бере участі в електрохімічній реакції) використовують наступні правила.

Катодний процес залежить від активності металу, тому для визначення продукту, який буде виділятися на катоді користуються рядом електрохімічним рядом напруг металів.. Залежно від положення металу в цьому ряду, можливі такі варіанти.

  • Катіони металічних елементів, розміщених після Гідрогену в ряді напруг відновлюються до вільного металу.
  • Катіони Алюмінію і металічних елементів, що розміщені перед ним, не відновлюються, а відновлюється Гідроген води. На катоді виділяється водень.
  • Катіони металічних елементів, розміщених між Алюмінієм і Гідрогеном відновлюються паралельно з молекулами води, тобто на катоді в такому випадку виділяються і метал, і водень. (Рис 1.)

Анодний процес залежить від природи аніона. На інертних електродах при електролізі будуть відбуватися наступні процеси.

  1. Якщо у розчині присутні аніони безоксигенових кислот (за винятком F), то відбувається їх окиснення:

Ann– – nē= An0, де Ann– – аніон безоксигенової кислоти

  1. За наявності в електроліті оксигеновмісних аніонів та йонів F у кислому та нейтральному середовищі окиснюється Оксиген води, а у лужному середовищі – гідроксид-йони.

Електроліз лугів

Розчини лугів містять катіони лужних або лужноземельних елементів і гідроксид-аніони, а також молекули води.

На катоді буде відновлюватись вода, бо її молекули мають значно більшу здатність до відновлення, ніж катіони вказаних металічних елеметів, продуктом відновленя на катоді буде водень.

На аноді буде відбуватись окиснення гідроксид-аніонів:

4ОН− 4ē = О2↑ + 2Н2О.

Отже на аноді буде виділятись кисень. Результат електролізу буде такий самий, як і електролізу води.

Електроліз розчинів кислот

Розчини кислот містять катіони Гідрогену, аніони кислотних залишків, а також молекули води.

На катоді будуть відновлюватись катіони Гідрогену і виділятиметься водень

+ + 2ē = Н2↑.

Продукти окиснення на аноді будуть залежати від природи аніону.

Якщо кислота безоксигенова (крім флуоридної), то на анод її аніони  будуть окиснюватись і до простої речовини.

Наприклад, при електролізі хлоридної кислоти будуть утворюватись водень і хлор:

Якщо кислотний залишок містить Оксиген (або це – F), то на аноді окиснюється вода. В такому випадку продукти електролізу – водень і кисень.

Під час електролізу водних розчинів солей процеси окиснення аніонів кислотних залишків на аноді відбуваються аналогічно їх окисненню в розчинах кислот.

Визначимо електродні процеси, що відбуваються при електролізі водних розчинів солей різного складу, і складемо рівняння реакцій електролізу в молекулярній і йонно-молекулярній формах.

1. Електроліз солі, утвореної металічним елементом, що в ряді активності стоїть праворуч від Гідрогену, і оксигеновмісним кислотним залишком, наприклад, купрум(ІІ) сульфату.

На аноді буде окиснюватися вода, а на катоді – відновлюватися катіон металічного елементу.

Напишемо рівняння напівреакцій і знайдемо коефіцієнти

 

Складемо ліві і праві частини обох рівнянь з врахуванням коефіцієнтів і отримаємо  йонно-молекулярне рівняння електролізу

2Сu2+ + 2Н2О = 2Cu + О2↑ + 4Н+

Йонно-молекулярне рівняння перетворюємо на молекулярне, додавши в ліву і праву частини сульфат-аніони, які не перетворювались під час електролізу

2Сu2+ + 2SO42−+ 2Н2О = 2Cu + О2↑ + 4Н+ + 2SO42−

2СuSO4+ 2Н2О = 2Cu + О2↑ + 2H2SO4.

2. Електроліз солі, утвореною металічним елементом, що в ряді активності стоїть зліва від  Алюмінію, і безоксигеновим кислотним залишком, наприклад, калій йодиду.

На аноді буде окиснюватись кислотний залишок, а на катоді – відновлюватись вода.

 

Йонно-молекулярне рівняння електролізу

2О + 2I= Н2↑ +  I+ 2ОН

Молекулярне рівняння електролізу:

2О + 2KI= Н2↑ +  I+ 2KОН

3. Електроліз солі, утвореної металічним елементом, що в ряді активності стоїть справа від Гідрогену, і оксигенвмісним кислотним залишком, наприклад, купрум(ІІ) хлориду.

На аноді буде окиснюватись аніон кислотного залишку, а на катоді – відновлюватися катіон металічного елементу. Результат буде таким самим, як і при електролізі розплаву цієї солі.

 

4. Електроліз солі, утвореної металічним елементом, що в ряді активності стоїть лівіше від Алюмінію, і оксигенвмісним кислотним залишком, наприклад, натрій сульфату.

В цьому випадку  окиснюватись на аноді і відновлюватись на катоді буде вода, а йони солі будуть залишатися у розчині.

 

Електроліз застосовують для захисту металевих виробів від корозії: на їх поверхню наносять найтонший шар іншого металу більш стійкого до дії зовнішнього середовища, найчастіше, хрому, срібла, золота, нікелю. Ці металічні покриття виходять рівними за товщиною і дуже прочними. У такий спосіб можна покривати вироби різної форми. Цю галузь прикладної електрохімії називають гальваностегія.

Крім захисту від корозії гальванічні покриття надають красивий декоративний вигляд виробам.

Інша галузь електрохімії – гальванопластика. Це процес отримання точних копій різних предметів. Для цього предмет покривають воском і отримують матрицю. Всі поглиблення копійованого предмета на матриці будуть виступами. Поверхню воскової матриці покривають тонким шаром графіту, який проводить електричний струм.

Отриманий графітовий електрод опускають в ванну з розчином купрум(ІІ) сульфату. Анодом служить мідь. При електролізі мідний анод розчиняється, а на графітовому катоді осідає мідь. Таким чином виходить точна мідна копія, наприклад, кліше для друку.

За допомогою електролізу рафінують деякі метали: очищують їх від домішок. Для цього метал з домішками підключають до анода. Метал розчиняється в процесі електролізу і відновлюється на металевому катоді, а домішки залишаються в розчині.

Електроліз знаходить широке застосування для отримання речовин органічних і неорганічних речовин різних речовин: металів, неметалів (галогенів, водню тощо), лугів, кислот.

ВИСНОВКИ

У водних розчинах електролітів, крім йонів, на які дисоціюють ці сполуки, містяться ще й молекули води.
Під час електролізу на катоді окрім катіонів металічного елемента можуть відновлюватись вода і виділятися водень, а на аноді окрім аніонів кислотних залишків вода може окиснюватись з виділенням кисню.
В першу чергу протікає та реакція, яка вимагає найменшої затрати енергії. Це означає, що відновлюються більш активні окисники, а окиснюються більш активні відновники.

Питання для закріплення знань.

1.Чим відрізняється електроліз водних розчинів від електролізу розплавів електролітів?

2. Під час електролізу водного розчину яких солей:

а) можна отримати метал,

б) не можна отримати метал,

в) можна отримати луг,

г) можна отримати кислоту?

3. Під час електролізу водних розчинів яких солей відбувається тільки електроліз води?

 

Завдання 1.

Напишіть схеми електродних процесів  і рівняння реакції електролізу водних розчинів

а) барій сульфіду; б) кальцій гідроксиду.

Розв’язання

а)   BaS ⇄ Ba2+ + S2;

Катод(−):  2H2O  + 2ē = H20 + 2OH    процес відновлення;

Анод(+):     S2 − 2ē = S0                               процес окиснення;

електроліз

BaS + 2H2O          =        H2 + S + Ba(OH)2.

б)   Ca(OH)2 ⇄ Ca2+ + 2OH;

Катод(−): 2H2O  +2ē = H20 + 2OH   процес відновлення;

Анод(+):  2ОН − 2ē = О2 + 2Н+       процес окиснення;

електроліз

2О        =           2Н2 + О2.

Завдання 2.

Під час електролізу водного розчину арґентум нітрату виділився газ об’ємом 5,6 л газу(н.у.).  Яка маса речовини виділилася на катоді?

Розв’язання

 

Відповідь: m(Ag) = 107 г.

Завдання 1.
Напишіть схеми електродних процесів і рівняння реакції електролізу водних розчинів
а) магній хлориду; б) арґентум нітрату.

Завдання 2.
При роботі електролізера, що містив розчин натрій гідроксиду, на аноді отримали газ об’ємом 140,0 л (н.у.). Визначте масу речовини, яка розклалася в процесі електролізу.

Завдання 3.

Завдання 4.
При електролізі розчину об’ємом 300 мл з масовою часткою купрум(ІІ) хлориду 12 % маса розчину зменшилась на 27 г. Визначте масу речовин, що виділились на електродах и масову частку солі, що залишилась у розчині солі, якщо густина вихідного розчину дорівнювала 1,116 г/мл.

Завдання 5.
Електроліз розчину плюмбум(ІІ) нітрату проводили до повного осадження свинцю. На нейтралізацію розчину, що залишився витратили 30 г розчину з масовою часткою натрій гідроксиду 20 %. Визначте масу солі у вихідному розчині.

Тест самоконтролю за темою «Електроліз водних розчинів електролітів»

Тест складається з 12 завдань, за допомогою яких можна перевірити і оцінити свої знання з теми “Електроліз водних розчинів електролітів”.

Тест містить

8 завдань з вибором однієї правильної відповіді із чотирьох запропонованих, кожне таке завдання оцінюється в 0 або 2 тестових бали: 2 бали, якщо вказано правильну відповідь, 0 балів, якщо вказано неправильну відповідь;
1 завдання з вибором кількох правильних відповідей із п’яти запропонованих, яке оцінюється в 0 або 2 тестові бали: 2 бали, якщо завдання виконане правильно, 0 балів, якщо правильної відповіді не надано, або надані не всі правильні відповіді;
1 завдання на встановлення відповідності, яке оцінюється в 2, 4, 6 або 8 тестових балів: 2 бали за кожну правильно встановлену відповідність; 0 балів, якщо не вказано жодної правильної логічної пари;
1 завдання на встановлення правильної послідовності, кожне з яких оцінюється в 0, 2, 4 або 6 тестових балів: 6 балів, якщо правильно вказано послідовність всіх понять, 4 бали, якщо правильно вказано перше та останнє поняття, 2 бали, якщо правильно вказано перше або останнє поняття, 0 балів, якщо вказано неправильну відповідь;
1 завдання відкритої форми з короткою відповіддю, під час розв’язання яких треба вписати числовий результат. За виконання завдання цієї форми можна отримати 0 або 4 бали.
Максимально можливий бал за правильно виконаний тест – 36 балів.

Після проходження тесту Ви побачите частку вашого балу від максимально можливого.