02. Электролиз

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.

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.

NaCl → Na⁺ + Cl⁻

• на катоде выделяется натрий:

2Na⁺ + 2e⁻ → 2Na

• на аноде выделяется хлор:

2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂

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

2Na⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁰ + Cl⁰₂

• суммарная реакция:

2NaCl2Na + 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⁺ + 1e⁻ → К

• на аноде выделяется кислород и вода:

4ОН⁻ − 4e⁻ → О2 + 2Н₂О

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

4К⁺ + 4ОН⁻ → 4К⁰ + О₂ + 2Н₂О

• суммарная реакция:

4КОН 4К⁰ + 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⁺ + 1e⁻ → Na

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

2SО₄²⁻ − 4e⁻ → 2SО₃ + О₂

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

4Na⁺ + 2SО₄²⁻ → 4Na⁰ + 2SО₃ + О₂

• суммарная реакция:

2Na₂SO₄  4Na⁰ + 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. В этом случае происходит только восстановление воды.

2Н₂О + 2e⁻ → 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 + 2e⁻ → 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⁻, S²⁻ и гидроксид-ионы ОН⁻ (разряжаются только эти анионы), например:

2Br⁻ − 2е⁻ → Br₂; 4ОН⁻ − 4e⁻ → О₂ + 2Н₂О (в щелочной среде)

Если в растворе присутствуют анионы F⁻, SO²⁻₄, NO⁻₃, PO₄³⁻, CO₃²⁻ и некоторые другие, то окислению подвергается только вода:

2Н₂О - 4e⁻ → 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.

NaCl → Na⁺ + Cl⁻

• Катодный процесс:

2Н₂О + 2e⁻ → Н₂ + 2ОН⁻

• Анодный процесс:

2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂

• суммарное ионное уравнение реакции

2Н₂О + 2Cl⁻ → Н₂ + 2ОН⁻+ Cl⁰₂

• суммарная реакция:

2Н₂О +2NaCl 2NaОН + Cl₂↑ + Н₂↑

По этой реакции получается гидроксид натрия и хлор.

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

• на катоде выделяется медь:

Сu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰

• на аноде выделяется кислород:

2Н₂О - 4 e⁻ → О₂ + 4Н⁺

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

2Сu²⁺ + 2Н₂О → 2Cu⁰+ О₂ + 4Н⁺

• суммарная реакция:

2CuSO₄ + 2Н₂О  2Cu⁰ + О₂ + 2H₂SO₄

Пример № 3. Электролиз раствора нитрата калия

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

КNO₃ → К⁺ + NО₃⁻

• Катодный процесс:

2Н₂О + 2e⁻ → Н₂ + 2ОН⁻

• Анодный процесс:

2Н₂О - 4e⁻ → О₂ + 4Н⁺

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

2Н₂ОО₂↑ + 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.

Подведение итога урока

На уроке была рассмотрена тема «Электролиз» из школьного курса химии 11 класса. В процессе занятия анализировались процессы, происходящие при электролизе расплавов и растворов электролитов. Были даны определения процесса электролиза, введено понятие о двух типах электродов.

Список литературы

1. Рудзитис Г. Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. – 14-е изд. – М.: Просвещение, 2012.

2. Попель П. П. Химия: 8 кл.: учебник для общеобразовательных учебных заведений / П. П. Попель, Л. С. Кривля. – К.: ИЦ «Академия», 2008. – 240 с.: ил.

3. Габриелян О. С. Химия. 11 класс. Базовый уровень. 2-е изд., стер. – М.: Дрофа, 2007. – 220 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «chemport.ru» (Источник)

Домашнее задание

1. №№ 2-4 (с. 89) Рудзитис Г. Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. – 14-е изд. – М.: Просвещение, 2012.

2. Что такое электролиз? Сравните его с гидролизом.

3. Перечислите предметы домашнего обихода и оборудования квартиры, при изготовлении которых были использованы гальваностегия и гальванопластика.