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.