Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 15. Електроліз

Поняття про електроліз

Сукупність окисно-відновних реакцій, що відбуваються на електродах у розчинах і розплавах електролітів під час пропускання через них електричного струму, називають електролізом (від грец. elektron та lysis — розкладання).

Під час електролізу на аноді й на катоді можуть відбуватися конкуруючі реакції.

У разі проведення електролізу з використанням інертного (такого, що не витрачається) електрода (наприклад, графіту або платини) зазвичай у розчинах конкуруючими є два окисні і два відновні процеси: на аноді — окиснення аніонів і гідроксид-іонів, а на катоді — відновлення катіонів солей і йонів Гідрогену Н⁺.

У разі проведення електролізу з використанням активного (такого, що витрачається) електрода відбувається також окиснення матеріалу анода (анодне розчинення).

Електроліз розплавів солей

Розглянемо електроліз розплавів солей на прикладі розплаву натрій хлориду. У розплаві натрій хлориду містяться йони Натрію Na⁺ і хлорид-іони Сl^-. Йони Натрію спрямовуються до негативно зарядженого катода, на якому відбувається реакція:

Na⁺ + e^- → Na⁰

У свою чергу, хлорид-іони спрямовуються до позитивно зарядженого анода, на якому віддають свої електрони, у результаті чого відбувається реакція:

Сl^- - е^- → Сl⁰

2Сl → Сl₂↑

Сумарне рівняння реакції електролізу натрій хлориду виглядає так:

Схематично процес електролізу розплаву натрій хлориду можна записати в такий спосіб:

катод (-): Na⁺ + e^- → Na⁰

анод (+): 2Сl^- - 2е^- → 2Сl⁰ → Cl₂↑

сумарне рівняння реакції: 2NaCl = 2Na⁰ + Cl₂⁰

Електроліз розплавів використовують для добування високоактивних металів, які неможливо добути електролізом розчинів. Також поширений електроліз алюміній оксиду, за допомогою якого в промисловості добувають алюміній:

катод (-): Аl³⁺ + 3е^- → Аl⁰

анод (+): 2О^2- - 4е^- → 2O⁰ → O₂↑

сумарне рівняння реакції: 2Аl₂О₃ = 4Аl⁰ +3Ο₂⁰↑

Електроліз розчинів електролітів

Електроліз розплавів проводити енергетично менш вигідно, ніж електроліз розчинів, оскільки більшість електролітів плавляться за високих температур. Тому частіше застосовують саме електроліз розчинів.

Під час електролізу розчинів, на відміну від розплавів, може відбуватися велика кількість конкуруючих реакцій, тому для визначення продуктів електролізу розчинів електролітів з інертним електродом користуються певними правилами.

1. Під час електролізу розчинів, що містять аніони F^-, SO₄^2-, NO₃^-_, РО₄^3-, відбувається окиснення гідроксид-іонів, які завжди в тій чи іншій кількості наявні у воді:

4ОН^- - 4е^- → О₂ + 2Н₂О

2. Під час окиснення галогенід-іонів (Сl^-, Вr^-, I^-) утворюються прості речовини-галогени (Сl₂, Вr₂, I₂):

2Наl^- - 2е^- → Наl₂↑

3. Під час окиснення аніонів органічних кислот відбувається процес:

2RCOO^- - 2е^- → R-R + 2СО₂↑

4. Під час електролізу розчинів солей, що містять катіони, які розташовані в ряду активності ліворуч від алюмінію, на катоді виділяється водень:

2Н⁺ + 2е^- → Н₂↑

або 2Н₂О + 2е^- → Н₂ + 2ОН^-

5. Під час електролізу розчинів солей, що містять катіони, які розташовані в ряду активності між алюмінієм і воднем, на катоді можуть відбуватися конкуруючі процеси відновлення катіонів металів і виділення водню (як у пункті 4):

Katⁿ⁺ + nе^- → Kat⁰

6. Під час електролізу розчинів солей, що містять катіони, які розташовані в ряду активності праворуч від водню, відбувається відновлення катіонів металів (як у пункті 5).

Розгляньмо декілька випадків електролізу водних розчинів різних солей.

Найпростіший випадок — коли сіль складається з йонів, що підпадають під правила 2 і 6. Приміром, купрум(II) хлорид. У цьому випадку на катоді відновлюються йони Сu²⁺, а на аноді окиснюються хлорид-іони Сl^-:

катод (-): Сu²⁺ + 2e^- → Сu⁰

анод (+): 2Сl^- - 2е^- → 2Сl⁰ → Сl₂↑

сумарне рівняння реакції: СuСl₂ = Сu⁰ + Сl₂⁰↑

У результаті електролізу на катоді виділяється мідь, а на аноді — газуватий хлор (мал. 15.1).

Мал. 15.1. Електроліз розчину купрум(ІІ) хлориду

Якщо ж у складі солі містяться йони активного металу, приміром у натрій хлориді, то на катоді відновлюються йони Н⁺ (правила 4 і 2):

катод (-): 2Н⁺ + 2е^- → 2Н⁰ → Н₂↑

анод (+): 2Cl^- - 2е^- → 2Сl⁰ → Сl₂↑

сумарне рівняння реакції: 2NaCl + 2Н₂О = Н₂O↑ + Сl₂⁰↑ + 2NaOH

У результаті на катоді виділяється водень, на аноді — хлор, а в розчині залишаються йони Натрію і гідроксид-іони, утворюючи луг (порівняйте з продуктами електролізу розплаву натрій хлориду на с. 41). Цей спосіб є одним із промислових способів добування лугів.

Мал. 15.2. Під час електролізу водного розчину калій нітрату на катоді виділяється водень, а на аноді — кисень

Також електролізу може піддаватися тільки катіон із солі. Наприклад, у випадку електролізу ферум(ІІ) сульфату (правила 1 і 5):

катод (-): Fe²⁺ + 2e^- → Fe⁰

анод (+): 4ОН^- - 4е^- → O₂⁰ + 2Н₂О

сумарне рівняння реакції: 2FeSO₄ + 2Н₂О = Fe⁰ + О₂⁰↑ + 2Н₂SO₄

У результаті на катоді утворюється залізо (хоча за побічним процесом також може виділятися газуватий водень), на аноді виділяється газуватий кисень, а в розчині залишається сульфатна кислота.

І, нарешті, випадок, коли ані катіон, ані аніон солі не піддаються електролізу. Приміром, розчин калій нітрату (правила 1 і 4):

катод (-): 2Н⁺ + 2е^- → 2Н⁰ → H₂↑

анод (+): 4OН^- - 4е^- → O₂⁰ + 2Н₂О

сумарне рівняння реакції: 2Н₂О = 2Η₂⁰↑ + О₂⁰↑

У цьому випадку ані катіони металу, ані аніони оксигеновмісної кислоти не розряджаються. На катоді виділяється водень, а на аноді — кисень (мал. 15.2). Фактично електроліз розчину калій нітрату зводиться до електролітичного розкладання води.

Мал. 15.3. Схема електролітичного рафінування міді

Електроліз розчинів з активними електродами

Під час проведення електролізу з використанням активних (таких, що витрачаються) електродів процеси ускладнюються:

• на аноді, крім окиснення аніонів і гідроксид-іонів, відбувається також окиснення матеріалу анода (анодне розчинення);
• на катоді, крім відновлення катіонів металічних елементів і йонів Н⁺, відбувається відновлення катіонів, що утворилися під час окиснення анода.

Розгляньмо електроліз купрум(II) хлориду, коли в якості електродів узято мідні пластинки. У цьому випадку на катоді також буде виділятися мідь, а на аноді, де відбуваються процеси окиснення, замість розрядження хлорид-іонів і виділення хлору відбувається окиснення анода (міді). У цьому випадку продукти окиснення анода — йони Сu²⁺ — переходять у розчин, а досягаючи катода, осідають на ньому:

катод (-): Cu²⁺ + 2е^- → Сu⁰

анод (+): Cu⁰ - 2е^- → 2Сu²⁺

Отже, електроліз розчину купрум(II) сульфату з розчинним анодом зводиться до окиснення матеріалу анода (його розчинення) і супроводжується переносом металу з анода на катод.

У промисловості цей процес використовують для електрохімічного очищення (рафінування) міді (мал. 15.3). Один електрод у вигляді тонкого дроту виготовляють із хімічно чистої міді, а другий електрод — із болванок чорнової міді, добутої відновленням мідної руди. Після підключення джерела електричного струму чорнова мідь (анод) розчиняється, а чиста мідь осаджується на іншому катоді. У результаті одержують мідь із досить високим ступенем очищення.

Мал. 15.4. Під час цинкування чи хромування деталі покривають тонким блискучим шаром металу

Окрім електролітичного очищення металів цей різновид електролізу використовують для інших поширених і важливих процесів.

Щоб уповільнити корозію, у гальванічних цехах залізні вироби вкривають тонким шаром іншого металу електрохімічним способом: під час цинкування (мал. 15.4), хромування або нікелювання металеві вироби не лише отримують захисну плівку, але й набувають гарного зовнішнього вигляду.

Мал. 15.5. Методом гальванопластики отримують тонкі металеві відбитки форм будь-якої складності

Електроліз з активним електродом також є основою гальванопластики — методу одержання точнісінького відбитка виробу будь-якої складної форми та з рельєфною поверхнею (мал. 15.5). Цим методом створюють металеві копії листків дерев або комах, форми для карбування монет, копії ювелірних виробів.

Ключова ідея

Електроліз — це окисно-відновна реакція, що відбувається під дією електричного струму.

Запитання та завдання

80. Дайте визначення поняття електроліз.

81. Які процеси відбуваються на катоді, а які — на аноді?

82. Сформулюйте основні відмінності електролізу речовин у розплавах та розчинах.

83. Як визначити продукти електролізу, ґрунтуючись на складі речовини?

84. Складіть рівняння реакцій електролізу: а) розплаву ферум(ІІІ) броміду; б) розплаву кальцій хлориду; в) розчину калій броміду; г) розчину нікол(ІІ) сульфату; д) розчину хром(ІІІ) броміду; е) розчину кальцій нітрату.

85. Проаналізуйте матеріал параграфа і перелічіть речовини, які в промисловості добувають електролізом. Яку сировину для цього використовують?