Лабораторная работа № 8.3. Электролиз растворов электролитов
Цель работы: ознакомление с процессами, протекающими на нерастворимых и растворимых электродах, при электролизе водных растворов электролитов и вторичными процессами при электролизе.
Электролизом называют гетерогенный окислительно-восстановительный процесс, происходящий на электродах в растворах или расплавах под действием внешнего источника тока. Для осуществления электролиза:
– к отрицательному полюсу внешнего источника электричества подключают электрод, на котором будет происходить процесс восстановления (этот электрод, имеющий отрицательный заряд, называют катодом);
– к положительному полюсу внешнего источника электричества подключают электрод, на котором будет происходить процесс окисления (этот электрод, имеющий отрицательный заряд, называют катодом);
– электроды предварительно погружают в водный раствор (или расплав) электролита.
Ячейку для электролиза, состоящую из двух электродов, погруженных в раствор (расплав) электролита, называют электролизером.
Продукты окисления – восстановления или поглощаются на поверхности электродов (металлы), или выделяются в виде газов, или вступают в реакцию между собой и с другими веществами, находящимися в растворе, образуя вторичные продукты электролиза.
Процессы, протекающие в процессе электролиза на поверхности анода и катода, определяются свойствами электролита, растворителя и материала электрода.
Анод изготавливают:
– из химически инертного материала (платина, графит) – в этом случае его называют инертным;
– растворимые аноды (Cu, Ag, Zn, Cd и др.) при электролизе разрушаются, т. е. переходят в раствор в виде ионов.
При электролизе расплавов в окислительно-восстановительных процессах участвуют только частицы данного электролита. На катоде восстанавливаются его катионы, а на аноде окисляются анионы.
При электролизе растворов электролитов в окислительно-восстановительных процессах на электродах участвуют не только ионы электролита, но и ионы воды.
Порядок разрядки катионов у катода: На катоде (К-) в первую очередь восстанавливаются катионы с более положительным электродным потенциалом, обладающие большей окислительной способностью (стоящие после водорода в ряду напряжений).
При электролизе водных растворов солей активных металлов, стоящих в ряду напряжений от Li до Al включительно, на катоде восстанавливаются ионы водорода, а начиная с марганца – катионы самих металлов.
Порядок разрядки анионов у анода: На аноде в первую очередь окисляются с меньшим электродным потенциалом, обладающие большей восстановительной способностью.
Стандартные электродные потенциалы анионов, В
2J-
J2 |
2Br-
Br2 |
2Cl-
Cl2 |
2H2O
2OH-+2H+ |
SO42-
S2O82- |
2F-
F2 |
+0,53 |
+1,06 |
+1,36 |
+1,77 |
+2,05 |
+2,85 |
При электролизе водных растворов солей бескислородных кислот (кроме фтористоводородной) на аноде окисляются кислотные остатки, а при электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот – гидроксид-анионы (OH–).
Ниже рассмотрены примеры записи процессов электролиза:
Пример 1. Электролиз водного раствора Na2SO4 на инертных (угольных) электродах.
В растворе сульфата натрия присутствуют ионы Na+ и SO4-2 и молекулы воды.
В
соответствии с последовательностью
разрядки ионов на катоде и на аноде
проходят следующие процессы:
Таким образом, при электролизе раствора Na2SO4 на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород. Вблизи катода образуется раствор щелочи NaOH, а вблизи анода – раствор H2SO4. Если катодное и анодное пространство отделены перегородкой, то можно получить все продукты электролиза в соответствии с уравнением
2Na2SO4 + 6H2O = 2H2↑ +O2↑+4NaOH + 2H2SO4
Пример 2. Электролиз водного раствора CuSO4 с медным (растворимым) анодом.
Из раствора сульфата меди на катоде могут восстанавливаться ионы Cu2+ (E0Cu = +0,34 B) и молекулы воды (EH2O = -0,84 B). Большей окислительной способностью обладают ионы меди, поэтому они восстанавливаются в первую очередь.
На аноде возможны следующие процессы:
2SO42- – 2e = S2O42- E1 = +2,05 B;
2H2O – 4e = O2 + 4H+ E2 = +1,23 B;
Cu – 2e = Cu2+ E3 = +0,34 B.
При сравнении окислительно-восстановительных потенциалов этих процессов видно, что потенциал медного анода имеет меньшее значение, следовательно, на аноде окисляется медь, т.е. материал самого анода.
Процесс электролиза в этом случае сводится к выделению меди на катоде и постоянному растворению медного анода.
Опыт 1 Электролиз раствора иодида калия с нерастворимыми электродами
Реактивы: 0,1 М раствор иодида калия KJ, раствор фенолфталеина,
Посуда и оборудование: U-образная трубка, два угольных электрода с проводками источник постоянного тока.
Методика проведения опыта: В U-образную трубку налейте до половины раствор иодида калия. В оба колена добавьте по 3-4 капли раствора фенолфталеина. Вставьте в оба колена угольные электроды. Левый электрод соедините с отрицательной клеммой выпрямителя, а правый – с положительной. Подключите ток.
Какие изменения наблюдаете в электролите у катода и у анода? Составьте схему электролиза раствора иодида калия и укажите реакцию среды (рН) в катодном и анодном пространствах. Напишите уравнения электродных процессов, проходящих на катоде и аноде, и общее молекулярное уравнение процесса электролиза.
Опыт 2 Электролиз водного раствора сульфата натрия с нерастворимыми электродами
Реактивы: 0,1 М раствор сульфата натрия Na2SO4, индикатор метиловый оранжевый (имеет красную окраску в кислой среде, оранжевую – в нейтральной, бледно-желтую – в щелочной).
Посуда и оборудование: U-образная трубка, два угольных электрода с проводками, источник постоянного тока.
Методика проведения опыта: В U-образную трубку залейте до половины раствор сульфата натрия. В оба колена добавьте по 2-3 капли раствора индикатора. Вставьте в оба колена угольные электроды, соединив их с клеммами выпрямителя. Подключите ток. Наблюдайте изменение окраски раствора электролита у катода и анода.
Составьте схему электролиза и укажите реакцию среды (pH) в анодном и катодном пространствах. Напишите уравнения электродных процессов, проходящих на катоде и аноде, и общее молекулярное уравнение процессов на катоде и аноде и общее молекулярное уравнение процесса электролиза. Объясните влияние вторичных процессов на ожидаемые продукты при изученном процессе электролиза.
Опыт 3 Электролиз раствора сульфата меди с нерастворимыми электродами
Реактивы: 0,1 М раствор сульфата меди CuSO4.
Посуда и оборудование: U-образная трубка, два угольных электрода с проводками, источник постоянного тока.
Методика проведения опыта: В U-образную трубку налейте до половины раствор сульфата меди. В оба колена опустите угольные электроды, соединенные с выпрямителем. Выпрямитель подключите в сеть. В течение 3-4 мин через электролит пропустите ток.
Что выделяется на электродах? Составьте схему электролиза раствора сульфата меди.
Напишите уравнения электродных процессов, проходящих на катоде и на аноде, и общее молекулярное уравнение процесса электролиза. Электрод с налетом меди сохраните для опыта 4.
Опыт 4 Электролиз раствора сульфата меди с растворимым медным электродом
Реактивы: 0,1 М раствор сульфата меди CuSO4.
Посуда и оборудование: U-образная трубка, угольный электрод, медный электрод, источник постоянного тока.
Методика проведения опыта: В U-образную трубку налейте до половины раствор сульфата меди. В одно колено погрузите угольный электрод и соедините его с отрицательной клеммой выпрямителя. В другое колено погрузите электрод с отложившейся медью (полученный в опыте 3) и соедините его с положительной клеммой выпрямителя. Выпрямитель включите в сеть и пропустите в течение 5-6 мин электрический ток.
Что наблюдаете на катоде и на аноде? Составьте схему электролиза раствора сульфата меди с медным анодом.
Напишите уравнения электродных процессов, проходящих на катоде и аноде. Объясните, почему на растворимом медном аноде окисляется медь.