1.4.9 Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей, кислот)

Видеоурок 1: Электролиз солей

Лекция: Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей, кислот)

Электролиз расплавов и растворов

Сегодня речь пойдет об окислительно – восстановительных процессах, происходящих в расплавах и растворах, мы поговорим об электролизе. Для начала скажем, что такое расплав и раствор.

Как вы понимаете этот процесс происходит под воздействием температуры и при нормальных условиях расплавы в основном являются твердыми веществами.

Растворителем может быть жидкое вещество, самое распространенное – это вода, а также твердое или газообразное вещества.

Теперь об электролизе, что в дословном переводе означает разложение электрическим током.

Данный процесс лежит в основе электрохимии, разделе химии, изучающем электрохимические процессы в растворах и расплавах веществ. С помощью электролиза получают неорганические и  органические вещества, металлы и их сплавы, обрабатываются и очищаются поверхности металлов и пр. Только с помощью электролиза получают чистый водород, никель, натрий и др. Да и вообще если необходимо получить любой металл в чистом виде применяют электролиз.

Вы понимаете, что протекать электролиз может только в средах, проводящих ток, преимущественно это растворы солей, щелочей и кислот. Для проведения электролиза нужен любой источник постоянного электрического тока, имеющий положительный и отрицательный полюса. К нему подсоединяются два электрода: катод и анод. Далее эти электроды опускаются в раствор или расплав для проведения электролиза. Мы представили прибор, в котором осуществляется электролиз. Это электролизер.

Анод (А+) - положительный электрод, к нему перемещаются анионы. Они отдают свои электроны аноду, и вследствие чего постепенно разряжаются. Образуется процесс окисления.

Характерные особенности электролиза расплавов

Соли и щелочи при расплавлении распадаются на ионы, которые во время электролиза направленно движутся: катионы восстанавливаются на катоде, анионы окисляются на аноде. Рассмотрим пример электролиза расплава хлорида натрия NaCl, который распадается на ионы: катионы Na⁺  и анионы Сl¯. В результате катионы движутся к катоду и принимают от него электроны, а анионы движутся к аноду и отдают электроны. 

Схематически этот процесс выглядит так:

В сумме мы получим:

Молекулярное уравнение: 2NaCl → 2Na° + Сl₂º

Закономерности электролиза растворов

Электролиз раствора имеет отличие от электролиза расплавов, тем, что в нем процессы проходят несколько сложнее. Это обуславливается тем, что в электролизе раствора принимает участие вода. Молекула воды представляет собой диполь, то есть она имеет оба «+» и «-» полюса. Поэтому молекулы воды перемещаются и к катоду и к аноду. 

В результате мы получим на катоде: 2H₂O + 2ē → 2OH⁻ + H₂; 

на аноде: 2H₂O − 4ē → O₂ + 4H⁺.

Это значит, что при электролизе раствора молекулы воды состязаются за восстановление на катоде и окисление на аноде с катионами и анионами, образующимися при диссоциации электролита. Результат данного процесса будет зависеть от типа электролита.

Рассмотрим процессы, происходящие на катоде:

Процессы на катоде не зависят от материала катода, а зависят только от типа катиона.

• Если катион соли является  активным металлом, находящийся в ряду напряжений металлов до алюминия включительно, то на катоде мы увидим восстановление молекул воды с выделением водорода: 2H₂O + 2ē → 2OH⁻ + H₂;
• Если катион соли является металлом средней активности, находящийся в ряду активности от алюминия до водорода, то на катоде будут одновременно восстанавливаться и молекулы воды и катионы металла: 2H₂O + 2ē → 2OH⁻ + H₂; Meⁿ⁺ + ne → Me⁰;
• Если в электролите есть катион водорода (кислота) или катион малоактивного металла (соль), то восстанавливаться будут только катионы электролита, в случае кислоты: Meⁿ⁺ + ne → Me⁰.

Рассмотрим процессы, происходящие на аноде:

Процессы на аноде зависят и от материала анода, и от аниона.

Если анод растворимый (материал анода железо, медь, серебро, цинк и все металлы, которые окисляются в процесе электролиза), то независимо отаниона окисляется материал анода: Cu⁰ – 2e → Cu²⁺

Если анод нерастворимый, т.е. инертный (уголь, графит, золото, платина), то

• При электролизе растворов солей бескислородных кислот (за исключением F⁻), то на аноде идет процесс окисления аниона. К примеру: S^2- − 2e → S⁰;
• При электролизе растворов щелочей, то на аноде окисляются гидроксо группы: 4ОН⁻ − 4ē → 2H₂O + O₂;
• При электролизе растворов солей оксокислот и фторидов, за исключением органических кислот, то окисляются молекулы воды и выделяется кислород: 2H₂O − 4ē → O₂ + 4H⁺.

Пример схемы электролиза раствора сульфата калия K₂SO₄ с инертным анадом*:

В данном случае идет электролиз воды, на катоде выделился водород, на аноде кислород: 2H₂O → 2H₂ ↑+ O₂↑

* Инертный электрод (графит или платина) используется, когда необходимо установить простой электрический контакт с раствором и не возникало никаких дополнительных реакций с участием самого вещества электрода.