Хімія. Поглиблений рівень. Повторне видання. 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:

  • чим відрізняється електроліз розплавів від електролізу розчинів;
  • які процеси відбуваються на катоді і аноді;
  • про застосування електролізу.

Електроліз розплавів електролітів. Процес проводять на графітових електродах. За високих температур розплав солі, наприклад КСl, 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 К+ на катоді:

(-)К: К+ + е- = К0

в) окиснення аніонів Сl- на аноді:

(+)А: 2Сl- - 2е- = Сl2

Сумарне рівняння процесу електролізу має такий вигляд:

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

(-)К:2О + 2е- = Н2↑ + 2ОН- — процес відновлення

(+)А:2О - 4е- = O2↑ + 4Н+— процес окиснення

Таким чином, процес відновлення води супроводжується виділенням на катоді водню, а процес окиснення води — виділенням на аноді кисню.

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

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:

(-)К: Mg2+ не відновлюються;

відновлюються Н2O:

2О + 2е- = Н2↑ + 2OН-

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

(-)К: Fe2+ + 2е- = Fe0

2О + 2е- = Н2↑ + 2OН-

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

(-)К: Cu2+ + 2e- = Cu0

Н2O — не відновлюються

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

• насамперед окиснюються прості аніони складу S2-, I-, Вr-, Сl-:

(+)А: 2Сl- - 2е- = Сl20

Н2O — не окиснюються

• аніони оксигеновмісних кислот CO32-, SO42-, NO3-, PO43- не окиснюються, окиснюються лише молекули води:

(+)А: 2SO42- — не окиснюються

2О - 4е- = O2↑ + 4Н+

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

(+)А: 4OН- - 4е- = O2↑ + 2Н2О

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:

(+)А: Сu0 - 2е- → Сu2+

Розглянемо досліди електролізу водних розчинів деяких сполук.

• Електроліз розчину купрум(ІІ) хлориду

(Дослід проводять у витяжній шафі!)

Заповнюють прилад для проведення електролізу розчином купрум(II) хлориду. В обидва коліна приладу занурюють графітові електроди та під’єднують їх мідними провідниками до електричної батарейки (рис. 34). На катоді з’являються блискучі червоні частинки міді. На аноді виділяється хлор.

Рис. 34. Прилад для проведення електролізу водних розчинів електролітів

Схема процесу електролізу водного розчину купрум(ІІ) хлориду така:

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 І2, який змінює колір крохмального клейстеру.

Схема процесу електролізу водного розчину калій йодиду така:

Електроліз води

Оскільки вода практично не дисоціює на йони, вона не проводить електричного струму. Для підвищення електропровідності в ній розчиняють деякі електроліти, наприклад натрій сульфат, що добре дисоціює на йони Na+ та SO42-, 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 кольору індикатора біля обох електродів.

Які речовини виділяються на аноді та катоді?

Чому змінюється колір лакмусу в катодному та анодному просторах?

Схема процесу електролізу води за наявності в розчині Na2SO4 така:

Застосування електролізу. 1. Електроліз використовують для одержання:

  • найактивніших металів — натрію, калію, кальцію, магнію, алюмінію;
  • найактивніших неметалів — водню, фтору, хлору, кисню;
  • лугів — натрій гідроксиду, калій гідроксиду.

2. За допомогою електролізу очищають метали від небажаних домішок. Цей процес називають електрорафінуванням. Ним одержують, наприклад, мідь, у якій масова частка домішок складає лише 0,001 %.

3. За допомогою електролізу здійснюють покриття одного металу іншим (цинком, нікелем, хромом, золотом та ін.): процес називають відповідно цинкуванням, нікелюванням, хромуванням, золоченням тощо. Такі покриття запобігають корозії — мимовільному руйнуванню металів і сплавів унаслідок взаємодії їх з навколишнім середовищем (рис. 35).

Рис. 35. Покриття: а — нікелем; б — цинком

4. Електроліз використовують для виконання точних копій з рельєфних виробів. Цей процес називають гальванопластикою (рис. 36).

Рис. 36. Гальванопластика

У чому полягає подібність і відмінність процесів, що відбуваються в гальванічному елементі та електролізері?

Подібність у роботі гальванічного елемента й електролізера полягає в тому, що в них відбуваються окисно-відновні реакції. Але є й принципова відмінність. Гальванічний елемент — це джерело електричного струму, а електролізер — споживач електричного струму. У гальванічному елементі хімічна енергія перетворюється на електричну, в електролізері, навпаки, електрична енергія перетворюється на хімічну. У гальванічному елементі процеси окиснення й відновлення відбуваються самовільно, а в електролізері — унаслідок дії електричного струму. Крім того, у гальванічному елементі негативний електрод — анод, а позитивний електрод — катод. В електролізері, навпаки, негативний електрод — катод, а позитивний — анод.

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 (рис. 37). Він складається із занурених у розчин сульфатної кислоти (з масовою часткою H2SO4 30 %) свинцевого електрода та електрода зі свинцю, вкритого шаром плюмбум(ІV) оксиду. У процесі роботи акумулятора на електроді без покриття (аноді) відбувається реакція окиснення:

Pb0 - 2е- + SO42- → PbSO4

Рис. 37. Улаштування та робота свинцевого акумулятора

На електроді, вкритому окисником РbО2 (катоді), відбувається процес відновлення:

РbО2 + 4Н+ + SO42- + 2е- → PbSO4 + 2Н2О

Сумарне рівняння реакції має вигляд:

Pb + РbО2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2Н2О

Якщо крізь розряджений акумулятор пропустити електричний струм від зовнішнього джерела, то його можна знову зарядити. При цьому на катоді відбувається процес відновлення йонів Рb2+ до металевого свинцю:

PbSO4 + 2е- → Pb0 + SO42-,

а на аноді — процес окиснення йонів Рb2+ до плюмбум(ІV) оксиду:

PbSO4 - 2е- + Н2O → РbО2 + 4Н+ + SO42-

Сумарний хімічний процес можна описати таким рівнянням:

2PbSO4 + Н2O = РbО2 + Pb + 4Н+ + 2SO42-

Приклади розв’язування задач

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

Розв’язання

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

(-)К:2О + 2е- → Н2 + 2ОН-

(+)А: 2Сl- - 2e- → Сl2

Отже, на катоді виділяється водень, а на аноді — хлор. У катодному просторі накопичуються йони ОН-, тобто утворюється калій гідроксид.

б) Нікель у ряду СЕП стоїть між Аl і Н2, тому на катоді Ni2+ відновлюється одночасно з молекулами води. На аноді сульфат-іони не окиснюються, тому що це — оксигеновмісні аніони.

Електроліз водного розчину NiSO4:

(-)К: Ni2 + 2e- → Ni0

2О + 2е- → Н2 + 2OН-

(+)А:2О + 4е- = O2 + 4Н+

Сумарне рівняння електролізу в цьому випадку записати неможливо, тому що не відомо, яка частина електричного заряду витрачається на відновлення води, а яка — на окиснення йонів Ni2+.

в) На катоді відновлюються тільки йони Аргентуму, тому що в ряду СЕП срібло стоїть після водню Н2. На аноді йони NO3- не окиснюються, тому що це оксигеновмісні аніони, замість них окиснюються молекули води.

Отже, на катоді виділяється срібло, а на аноді — кисень. В анодному просторі накопичуються йони Н+, тобто утворюється нітратна кислота.

г) Через те що натрій у ряду СЕП стоїть до алюмінію, на катоді йони Na+ не відновлюються, а відновлюються молекули води. На аноді в лужних розчинах окиснюються йони ОН-, на відміну від інших оксигеновмісних аніонів NO3-, SO42-, CO32-:

Отже, під час електролізу водних розчинів лугів із застосуванням інертних електродів відбувається процес електролізу води з утворенням газуватих 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:

(-)К: Cu2 + 2e- → Сu0

(+)А: Сu0 - 2е- → Сu2+

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 хімічних елементів: Калій, Натрій, Барій, Кальцій, Стронцій і Магній. Це була одна із найважливіших подій в історії хімії.

Для допитливих

Літій-іонні акумулятори

У 2019 р. Нобелівську премію в галузі хімії було присуджено за розробку літій-іонних акумуляторів. Лауреатами стали Джон Гуденаф (США), Стенлі Віттінґем (США) та Акіра Йосіно (Японія).

Літій-іонні акумулятори використовують досить широко — від мобільних телефонів та ноутбуків до електромобілів. Принцип їх роботи (рис. 38) ґрунтується на реакціях окиснення металевого літію, що міститься в складі матеріалу анода, який виготовлено із графіту. Під час розряджання метал окиснюється та у формі катіона рухається до катода. Під час заряджання відбувається зворотний процес.

Рис. 38. Літій-іонний акумулятор

Провідниками зарядів у літій-іонному акумуляторі є катіони Літію, які здатні впроваджуватися (інтеркалюватися) в кристалічні ґратки інших матеріалів (наприклад, графіту, оксидів і солей металів). Сьогодні в масовому виробництві літій-іонних акумуляторів використовують три класи катодних матеріалів: літій кобальтат LіСоО2, літій-манганову шпінель LіМn2О4 та літій-ферофосфат LiFePO4.

Електроди в літій-іонному акумуляторі розділено пористим сепаратором, просоченим електролітом. Катодний матеріал розміщено на алюмінієвій фользі, анодний — на мідній фользі. Пакет електродів поміщено в герметичний корпус, катоди та аноди під’єднано до клем-струмознімачів.

Покриття сріблом

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+ + e- = Ag0

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

(+)А: Аg0 - е- = Аg+

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 КСl?

2. Чи можна здійснити електроліз водних розчинів етилового спирту та сахарози? Чому?

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 виділився хлор об’ємом 56 л (н. у.). Обчисліть масу металічного натрію, що виділився 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. Які речовини утворюються на інертних катоді та аноді під час електролізу водних розчинів таких електролітів: а) КОН; б) H2SO4; в) NaCl; г) K2SO4; ґ) Fe(NO3)3; д) СuСl2?

*8. Які процеси відбуваються під час електролізу водного розчину AgNO3 з активним срібним анодом?

*9. Унаслідок електролізу водного розчину хлориду двовалентного металу на катоді отримали метал масою 32 г, а на аноді — хлор об’ємом 11,2 л (н. у.). Визначте метал, який виділився на катоді.

*10. Унаслідок електролізу розплаву хлориду лужноземельного металу на катоді отримали метал масою 54,8 г, а на аноді — хлор об’ємом 8,96 л (н. у.). Визначте метал, який виділився на катоді.

11. Робота в парах. Постійний електричний струм пропускали крізь дві послідовно з’єднані електролітичні посудини. Перша містила розчин купрум(II) сульфату та мідні електроди, друга — розчин натрій хлориду та вугільні електроди, розділені пористою перетинкою. У першій посудині маса анода зменшилася на 16 г. Обчисліть масу лугу, що утворився в другій посудині.