Хімія. Поглиблений рівень. 9 клас. Бутенко

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 33. Електроліз: закономірності електродних процесів, застосування електролізу

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:

  • що називають електролізом;
  • які процеси відбуваються на катоді і аноді;
  • у чому полягає подібність і відмінність процесів, що відбуваються в гальванічному елементі й електролізері.

Окисно-відновні реакції, що відбуваються під дією електричного струму на електродах, занурених у розчин або розплав електроліту, називають електролізом. Аноди бувають активні (розчинні) та інертні. У розчин або розплав з активного анода переходять йони металічного елемента, з якого він виготовлений (крім Pt), а крізь інертний анод переходять електрони. Його виготовляють із графіту або платини.

Електроліз розплавів електролітів. Процес проводять за участі графітових електродів. За високих температур розплав солі, наприклад KCl, розкладається на йони:

Під час пропускання електричного струму крізь розплав відбуваються такі процеси:

а) направлене переміщення катіонів Калію до катода, а аніонів Хлору до анода;

б) відновлення катіонів K+ на катоді:

(-)К: K+ + e- = K0

в) окиснення аніонів Cl- на аноді:

(+)A: 2Cl- - 2e- = Cl2

Сумарне рівняння процесу електролізу має такий вигляд:

Електроліз водних розчинів електролітів. Цей процес відбувається дещо складніше, ніж електроліз розплавів, через те що в ньому можуть брати участь і молекули води:

(-)К: 2H2O + 2e- = H2 + 2OH- — процес відновлення

(+)A: 2H2O - 4e- = O2 + 4H+ — процес окиснення

Коли на тому самому електроді можуть відбуватися два або більше процесів, то, першою чергою, на катоді відновлюються катіони металічних елементів з найбільшим значенням електродного потенціалу (табл. 7), а на аноді окиснюються аніони з найменшим електродним потенціалом (табл. 8).

Таблиця 7

Стандартні електродні потенціали (В) деяких систем типу Men+/Me0 у водних розчинах

Li+/

Li0

-3,05

K+/

K0

-2,02

Ba2+/

Ba0

-2,9

Ca2+/

Ca0

-2,87

Na+/

Na0

-2,71

Mg2+/

Mg0

-2,36

Al3+/

Al0

-1,66

Zn2+/

Zn0

-0,76

Fe2+/

Fe0

-0,44

Cr3+/

Cr0

-0,74

Ni2+/

Ni0

-0,25

Sn2+/

Sn0

-0,14

Pb2+/

Pb0

-0,13

2H+/

H02

0

Cu2+/

Cu0

+0,34

Ag+/

Ag0

+0,80

Hg2+/

Hg

+0,85

Au3+/

Au0

+1,42

Таблиця 8

Стандартні електродні потенціали (В) деяких систем типу Ann-/An0 у водних розчинах

S2-/S0

4OH-/ O02 + 2H2O

-2

2Br-/Br2

2Cl-/Cl2

2F-/F2

-0,404

+0,401

+0,535

+1,087

+1,396

+2,866

Щоб правильно визначитися із закономірностями процесів, які відбуваються під час електролізу водних розчинів електролітів, треба брати до уваги таке:

1) на катоді:

• катіони металічних елементів, що в ряду СЕП стоять від літію до алюмінію включно, не відновлюються; замість них відновлюються молекули води:

(-)K : Mg2+ не відновлюються;

відновлюються H2O:

2H2O + 2e- = H2↑ + 2OH-

• катіони металічних елементів, що в ряду СЕП стоять між алюмінієм і воднем, відновлюються одночасно з молекулами води:

(-)K: Fe2+ + 2e- = Fe0

2H2O + 2e- = H2↑ + 2OH-

• катіони металічних елементів, що в ряду СЕП стоять після водню, відновлюються без участі молекул води:

(-)K: Cu2+ + 2e- = Cu0

H2O — не відновлюються

2) на інертному аноді (нерозчинному, виготовленому з графіту, вугілля або платини):

• першою чергою, окиснюються прості аніони складу S2-, I-, Br-, Cl-:

(+)A: 2Cl- - 2e- = Cl02

H2O — не окиснюються

• аніони оксигеновмісних кислот CO2-3, SO2-4, NO-3, PO3-4 не окиснюються, окиснення зазнають лише молекули води:

(+) A: 2SO2-4 — не окиснюються

2H2O - 4e- = O2 + 4H+

• у лужних розчинах на аноді окиснюються лише гідроксид-іони:

(+) A: 4OH- - 4e- = O2 + 2H2O

3) у разі використання розчинних анодів (виготовлених із цинку, нікелю, міді, срібла, тобто металів, що стоять у ряду стандартних електродних потенціалів після алюмінію) окиснюється сам метал, з якого виготовлений анод:

(+) A: Cu0 - 2e- → Cu2+

Демонстраційний дослід

Електроліз розчину купрум(ІІ) хлориду

Дослід проводять у витяжній шафі!

Заповнюють прилад для проведення електролізу розчином купрум(ІІ) хлориду. В обидва коліна приладу занурюють графітові електроди та під'єднують їх мідними провідниками до електричної батарейки (рис. 29). Що спостерігаємо? На катоді з'являються блискучі червоні частинки міді. Окиснення чи відновлення міді відбувається на катоді? Запишемо рівняння катодного процесу:

(-)K: Cu2+ + 2e- = Cu0

Доведемо, що на аноді утворюється хлор. Для цього відключимо прилад від електричної батарейки після 4-5 хв електролізу. Витягують анод з електролізера й додають в анодний простір по 3-4 краплі розчину калій йодиду та крохмального клейстеру. Що спостерігаємо? Синє забарвлення внаслідок процесу:

Cl2 + 2KI = 2KCl + I2

Рис. 29. Прилад для проведення електролізу водних розчинів електролітів

Запишемо схему процесу електролізу водного розчину купрум(ІІ) хлориду:

Електроліз розчину калій йодиду

У конічну пробірку наливають на 3/4 її об'єму розчин калій йодиду й додають 5-6 крапель розчину фенолфталеїну та крохмального клейстеру. Утворений розчин перемішують і виливають в електролізер. Занурюють у нього графітові електроди та під'єднують їх до батарейки.

Звертають увагу на зміну забарвлення розчину поблизу електродів. Зміна кольору фенолфталеїну на малиновий свідчить про появу лужного середовища поблизу катода, а синє забарвлення розчину поблизу анода — про появу йоду I2, який змінює колір крохмального клейстеру.

Запишемо схему процесу електролізу водного розчину калій йодиду:

Електроліз води

Оскільки вода практично не розпадається на йони: H2O ⇄ H+ + OH-, вона не проводить електричного струму. Для підвищення електропровідності в ній розчиняють деякі електроліти, наприклад натрій сульфат, що добре дисоціює на йони Na+ та SO2-4, які не беруть участі в процесі електролізу. Для проведення електролізу води змішують в конічній пробірці розчин натрій сульфату (приблизно половину її об'єму) з нейтральним розчином лакмусу (1/4 об'єму пробірки). Виливають одержаний розчин в електролізер. Пропускають крізь нього електричний струм і звертають увагу на зміну забарвлення індикатора біля обох електродів. Які речовини виділяються на аноді та катоді? Чому змінюється забарвлення лакмусу в катодному та анодному просторах?

Запишемо схему процесу електролізу води за наявності в розчині Na2SO4:

Застосування електролізу. За допомогою електролізу є можливість одержувати сильні окисники та відновники: H2 і O2 — із води, Cl2 — із водних розчинів NaCl, F2 — із розплаву KF, дуже чисті метали, металічні порошки із заданими властивостями.

На принципі електролізу ґрунтуються різноманітні способи обробки поверхні металів: електрополірування сталевих виробів, оксидування (покриття металів, наприклад алюмінію або магнію, оксидними плівками), що значно підвищує стійкість металів до корозії в певному середовищі.

А чи можливий зворотний процес — перетворення хімічної енергії на електричну?

Явища, на яких ґрунтується робота гальванічних елементів та процес електролізу, покладені в основу роботи приладів, що дозволяють накопичувати електричну енергію за рахунок хімічної. Гальванічні елементи не спроможні виступати як джерела електричної енергії протягом тривалого часу, оскільки маса речовин, які зазнають перетворень у процесі їхньої роботи, є обмеженою. Однак цю здатність подібного джерела електричної енергії можна відновити, якщо крізь нього пропустити електричний струм від зовнішнього джерела. Такі гальванічні елементи зворотної дії називають акумуляторами.

Існують декілька видів акумуляторів, наприклад залізо-нікелеві, кадмій-нікелеві. Найбільш поширений свинцевий. Він складається із занурених у розчин сульфатної кислоти (з масовою часткою 30 %) свинцевого електрода та електрода зі свинцю, вкритого шаром плюмбум(IV) оксиду. У процесі роботи акумулятора на електроді без покриття (аноді) відбувається реакція окиснення:

Pb0 - 2e- + SO2-4 → PbSO4

На електроді, вкритому окисником PbO2 (катоді), відбувається процес відновлення:

PbO2 + 4H+ + SO2-4 + 2e- → PbSO4 + 2H2O

Сумарне рівняння реакцій можна подати в такому вигляді:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O

Якщо крізь розряджений акумулятор пропустити електричний струм від зовнішнього джерела, то його можна знову зарядити. При цьому на катоді відбувається процес відновлення йонів Pb2+ до металевого свинцю:

PbSO4 + 2e- → Pb0 + SO2-4,

а на аноді — процес окиснення йонів Pb2+ до плюмбум(IV) оксиду:

PbSO4 - 2e- + H2O → PbO2 + 4H+ + SO2-4

Сумарний хімічний процес можна описати таким рівнянням:

2PbSO4 + H2O = PbO2 + Pb + 4H+ + 2SO2-4

Приклади розв'язування задач

Приклад 1. Які речовини утворюються на катоді та аноді під час електролізу водних розчинів: а) KCl; б) NiSO4; в) AgNO3; г) NaOH з інертними електродами?

Розв'язання

а) Оскільки калій у ряду СЕП стоїть до алюмінію, на катоді йон K+ не відновлюється, відновлюються молекули води. На аноді окиснюються йони Хлору — безоксигенові аніони.

Електроліз водного розчину KCl:

б) Нікель у ряду СЕП стоїть між Al і H2, тому на катоді Ni2+ відновлюється одночасно з молекулами води. На аноді сульфат-іони не окиснюються, тому що це — оксигеновмісні аніони.

Електроліз водного розчину NiSO:

в) На катоді відновлюються тільки йони Аргентуму, тому що в ряду СЕП срібло стоїть після водню H2. На аноді йони NO-3 не окиснюються, тому що це оксигеновмісні аніони, замість них окиснюються молекули води.

г) Через те що натрій у ряду СЕП стоїть до алюмінію, на катоді йон Na+ не відновлюється, а відновлюються молекули води. На аноді в лужних розчинах окиснюються йони OH-, на відміну від інших оксигеновмісних аніонів NO-3 , SO2-4, CO2-3 :

Отже, при електролізі водних розчинів лугів із застосуванням інертних електродів відбувається процес електролізу води з утворенням газоподібних водню та кисню.

Відповідь: а) на катоді — водень, на аноді — хлор; б) на катоді — водень і нікель, на аноді — кисень; в) на катоді — срібло, на аноді — кисень; г) на катоді — водень, на аноді — кисень.

Приклад 2. Які процеси відбуваються під час електролізу водного розчину CuSO4 з активним мідним анодом?

Відповідь: у цьому випадку на катоді відновлюються катіони Купруму, а на аноді завжди окиснюється матеріал анода — мідь:

(-) K: Cu2+ + 2e- → Cu0

(+) A: Cu0 - 2e- → Cu2+

Основні поняття. Продукти електролізу розплавів і розчинів електролітів. Акумулятор.

Гемфрі Деві (1778-1829)

Піонером у використанні електричного струму в хімії був англійський хімік, фізик і геолог Гемфрі Деві. Піддаючи електролізу розплави різних сполук, він відкрив шість елементів: Калій, Натрій, Барій, Кальцій, Стронцій і Магній. Це була одна із найважливіших подій в історії хімії.

Для допитливих

Іноді виделки, які використовують у побуті, називають срібними. Насправді їх виготовляють з нікелю. Покриття зі срібла наносять на нікелеву виделку в процесі електролізу водного розчину, що містить сіль Аргентуму. Катодом є виделка з нікелю, анод виготовляють зі срібла. Це електролізер із розчинним анодом. Позитивно заряджені йони Аргентуму з розчину притягуються до негативно зарядженого катода й відновлюються до срібла:

(-) К: Ag+ + е- = Ag0

На срібному аноді відбувається зворотний процес розчинення срібла, тобто його окиснення до йонів Ag+:

(+) А: Ag0 - е- = Ag+

У підсумку в результаті проведення такого виду електролізу загальна кількість йонів Аргентуму в розчині не змінюється, а на поверхні виделки утворюється плівка зі срібла.

Запитання та завдання

  • 1. Які процеси відбуваються на катоді та аноді під час електролізу: а) розчину NaCl; б) розплаву KCl?
  • 2. Складіть схему електролізу розчину солі оксигеновмісної кислоти на прикладі ZnSO4.
  • 3. Складіть схему електролізу розчину цинк сульфату на інертних електродах і складіть рівняння реакцій, що відбуваються на аноді та катоді.
  • *4. Під час електролізу розплаву натрій хлориду на аноді виділилося 56 л (н. у.) хлору. Яка маса металічного натрію утворилася на катоді?
  • *5. Під час електролізу розчину калій хлориду на катоді виділився водень масою 6 г. Який газ та якого об'єму (н. у.) виділився на аноді?
  • *6. Наведіть формули трьох речовин, при електролізі водних розчинів яких відбувається розкладання води.
  • 7. Чи можна здійснити електроліз водних розчинів етилового спирту та сахарози? Чому?
  • *8. Які речовини утворюються на інертних катоді та аноді під час електролізу водних розчинів таких електролітів: а) KOH; б) H2SO4; в) NaCl; г) K2SO4; ґ) Fe(NO3)3; д) CuCl2?
  • *9. Які процеси відбуваються під час електролізу водного розчину AgNO3 з активним срібним анодом?