Электролиз водных растворов

Электролиз водных растворов

Электролиз — это процесс пропускания электрического тока через раствор электролита (соли, кислоты или основания), или через расплавленный металл, чтобы сгенерировать на катоде и аноде окислительно-восстановительную реакцию. Рассмотрим электролиз водных растворов солей, кислот и нитратов. Но сначала немного в общем об электролизе.

Катод и анод — это два гальванических элемента в одной электрической цепи, на анод подается положительный заряд, на катод — отрицательный заряд.

«Электролиз» представляет собой сумму «электро» (что относится к электронам / электричеству) и «лизиса» (что означает высвобождение). Фактически с помощью электричества (процесса электролиза) можно разрушать вещества, превращая их в чистые элементарные вещества или другие химические вещества.

Электролиз схема
Электролиз схема
Электролит – это вещество или смесь, содержащие подвижные ионы, способные подвергаться электролизу. Электролит обычно состоит из катионов и анионов.
Катионы — положительно заряженные ионы вещества, анионы — отрицательно заряженные ионы вещества. Катионы движутся к катоду, а анионы — к аноду.

Электролиз основан на том, что в момент прохождения в растворе с веществом электрического тока, одни части раствора имеют положительно заряженные ионы, а другие — отрицательно заряженные. Положительно заряженные начинают двигаться от анода к катоду и скапливаются на нем или около него, отрицательно заряженные ионы движутся к аноду и скапливаются возле него. Происходит разделение вещества. Или выделение определенного элемента из его состава. Смотрите фото электролиза водного раствора:

Электролиз фото
Электролиз водного раствора калия иодида. На катоде образуется калий, а на аноде — йод.

Электролиз водных растворов солей

Обычно некоторые соли лучше растворяются в воде, чем другие. Соль — это ионное соединение, которое имеет сильные ионные связи между анионами и катионами. Соли проводят электрический ток в водном растворе, поскольку подвижные ионы способны проводить электрический ток. Некоторые соли более устойчивы к растворению, такие соли называют нерастворимыми. Но очень много простых солей прекрасно растворимы. Для того, чтобы определять какие соли лучше растворимы в воде, а какие хуже, составлена таблица растворимости солей, в которой растворимость измеряется в граммах на 100 мл растворителя. Это означает — что в 100 мл растворителя мы можем растворить максимально только столько то грамм соли. Такой раствор называют насыщенным солевым раствором.

Электролиз водного раствора поваренной соли

Рассмотрим процесс электролиза водного раствора поваренной соли.

Химическими веществами, присутствующими в растворе, являются вода H2O и ионы Na+ и Cl . Уравнение диссоциации хлорида натрия NaCl:

NaCl \rightarrow Na^{+}+Cl^{-}

На аноде, заряженном положительно, от которого отходят электроны, происходит окисление: хлор Cl — окисляется до дихлора с выделением электронов:

Cl \rightarrow Cl_{2}+2e^{-}

На катоде вода H2O переходит к катоду, где восстанавливается за счет захвата электронов, с образованием молекул диводорода H2 и ионов гидроксония OH . Это реакция восстановления:

2H_{2}O+2e^{-} \rightarrow H_2+2OH^{-}

Уравнение баланса:

2NaCl+2H_2O \rightarrow 2NaOH+Cl_{2}+H_{2}.

Электролиз водных растворов хлоридов на примере хлорида калия

Хлорид калия — это соль, состоящая из ионов калия K^{+} и ионов хлора Cl^{-}. При электролизе водного раствора хлорида калия положительные ионы калия притягиваются к катоду, а отрицательные ионы хлорида к аноду.

В процессе электролиза на катоде должно бы происходить образование металлического калия, а водород из воды должен был бы вытесняться. Однако, на самом деле водород более способен к реакции и поэтому будет выделяться водород, а калий останется в растворе.

То есть мы будем наблюдать вот такую реакцию:

2H^{+}+2e^{-} \rightarrow H_2

Для того, чтобы в реакцию вступил калий надо достаточно много энергии, чтобы сначала выделить водород, а потом уже взяться за калий.

Примечание: мы рассматриваем электролиз на инертных электродах, то есть на таких, которые не вступают в реакцию с водным раствором.

Электролиз в водном растворе нитратов

Нитраты — это соли азотной кислоты. Поэтому мы рассмотрим электролиз как происходящий в солевом растворе. Все нитраты отлично растворимы в воде.

Рассмотрит раствор нитрата свинца (Pb^{2+}+2NO^{-}_3) и процесс электролиза в этом растворе.

На катоде в процессе электролиза будут образовываться кристаллы свинца:

Pb^{2+}+2e^{-} \rightarrow Pb.

То есть мы наблюдаем восстановление свинца на катоде в результате воздействия электронов.

Электролиз водного раствора нитрата серебра

Для достижения серебрения ложки проводят электролиз водного раствора дицианоаргентата калия, содержащего ионы серебра. Пластинка из чистого серебра и стальная ложка служат электродами.

Посеребрение ложки с помощью электролиза
Посеребрение ложки с помощью электролиза

Давайте опишем процесс электролиза. Для начала запишем, что должно произойти:

Ag^{+}+e^{-} \rightarraw Ag.

При этом вода даст нам реакцию:

2H_2O \rightarraw O_2+4H^{+}+4e^{-}.

Полная реакция электролиза:

4Ag^{+}+2H_2O \rightarraw 4Ag+O_2+4H^{+}.

Восстановление ионов серебра произойдет на ложке — катоде.

Электролиз в водном растворе кислоты

Рассмотрим электролиз в водном растворе кислоты на примере водного раствора соляной кислоты. Водный раствор соляной кислоты состоит из свободно движущихся ионов водорода H+ , хлорид-ионов Cl и гидроксид-ионов OH .

При электролизе ионы Cl и ионы OH перемещаются к аноду.
Ионы ОН – селективно разряжаются с образованием кислорода и воды. Это связано с тем, что ион OH ниже , чем ион Cl в электрохимическом ряду.

4OH^{-} \rightarraw O_2+ 2H_2O + 4e^{-}

Примечание:

При электролизе к катоду движутся только ионы Н+. Следовательно, ионы H+ разряжаются с образованием газообразного водорода.
2H^{+}+ 2e^{-}→H_2.

Правила электролиза

Выбор ионов, на которые будет первым воздействовать электрический ток, зависит от трех факторов:

  • положения ионов в электрохимическом ряду
  • концентрации ионов в электролите
  • типов электродов, используемых при электролизе.

Электрохимический ряд представляет собой список ионов, расположенных в порядке возрастания их склонности к разряду (рисунок).

Электрохимический ряд

Чем ниже положение иона в электрохимическом ряду, тем выше склонность иона к разряду.

Правила рассуждения.

Рассмотрите, являются ли катионы, которые движутся к катоду, ионами Cu2+ и ионами H+ . Ион Cu2+ стоит ниже иона H+ в электрохимическом ряду. Следовательно, ионы Cu2+ будут избирательно разряжаться в первую очередь.

Рассмотрите, являются ли анионы, которые движутся к аноду, ионами OH и ионами SO4 2- . Ион ОН в электрохимическом ряду стоит ниже иона SO4 2- . Следовательно, ОНионы будут избирательно разряжаться первыми.

И, как вы видите, калий менее склонен к воздействию электрического тока, поэтому в электролизе водного раствора хлорида калия на электроде выделился водород, как более реагирующий на электрический ток.

 

Спасибо:
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Литература, математика, русский язык, физика, география, история, астрономия и обществознание
Подписаться
Уведомить о
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии