Особенности процесса электролиза водных растворов электролитов

При разрядке ионов воды на электродах выделяются газы Н₂ и О₂, которые замедляют электролиз, поэтому приходится повышать напряжение внешнего источника тока на величину  (потенциал перенапряжения).

Из-за потенциала перенапряжения нарушается порядок разрядки ионов на электродах: вопреки значениям  водород выделяется на катоде (-) после разрядки катионов металлов, стоящих в ряду стандартных электродных потенциалов от Al до Н₂, а ион ОН^ окисляется на аноде после разрядки ионов галогенов. Натрий (щелочной металл) из водных растворов не выделяется.

8.5.3. Электролиз растворов с растворимым анодом

При электролизе растворов с растворимым анодом в процессе принимает участие анод. В качестве растворимого анода могут использоваться металлы: Cu, Fe, Zn, Ni и др.

Восстановление катионов на катоде происходит в том же порядке, что и при электролизе расплавов и растворов с инертным анодом.

Растворимый анод при электролизе растворяется, т.е. окисляется, посылая электроны во внешнюю цепь. При отдаче электронов смещается равновесие между электродом и раствором:

М е Mеⁿ⁺ + nē

металл анода ионы в электроны

растворе внешней цепи

Aнод растворяется в первую очередь. Затем окисляются ионы кислотных остатков по правилу, данному в пункте 2.

При окислении анода вначале растворяется металл с меньшим значением , а менее активный металл выпадает в осадок. На этом основана очистка металлов от примесей (рафинирование).

Примеры:

а) составить схему электролиза раствора CuSO₄ с медным анодом.

Диссоциация электролитов:

C uSO₄ Cu²⁺ + SO₄^2

H ₂O H⁺ + OH^

Катод (-) Анод (+)

Cu²⁺, H⁺ OH^, SO₄^2, Cu

Восстановление. Окисление.

Cu²⁺ + 2ē  Cu⁰ Cu - 2ē  Cu²⁺

Медь стоит в ряду стандартных электродных потенциалов после водорода, идет количественное её восстановление.

У меди меньший потенциал, чем у ионов ОН^ и SO₄^2, поэтому происходит растворение анода.

_Cu = 0,34 В, _ОН^ = 0,401В,

_SO4^2 = 2,01В.

В растворе:

2H⁺ + SO₄^2 = H₂SO₄

б) составить схему электролиза раствора CuCl₂ с медным анодом, содержащим примеси никеля и серебра.

Диссоциация электролитов:

C uCl₂ Cu²⁺ + 2Cl^

H ₂O H⁺ + OH^

Катод (-) Анод (+) Cu (Ni, Ag)

Cu²⁺, H⁺ Cl^, OH^

Восстановление: Окисление:

Cu²⁺ + 2ē  Cu⁰ Ni - 2ē  Ni²⁺

Cu - 2ē  Cu²⁺

Никель более активный металл, его _NiNi²⁺ = - 0,23 В, чем материал анода, _CuCu²⁺ = 0,34 В. В результате электролиза медь и никель будут растворяться, а серебро, как менее активный металл, _AgAg⁺ = 0,799 В, падать на дно ванны.

8.5.4. Индивидуальные задания по электролизу

Задание 1

1. Составить схему электролиза раствора ZnSO₄: а) с угольным анодом, б) с медным анодом.

2. Как пойдет электролиз смеси растворов: Al(NO₃)₃, K₃PO₄, FeSO₄? Написать уравнения реакций, идущих на электродах.

3. Написать реакции, идущие на электродах при рафинировании меди.

Задание 2

1. Составить схему электролиза раствора и расплава MnCl₂.

2. Составить уравнения процессов, протекающих при электролизе расплавов NaOH и NiCl₂ с нерастворимыми электродами.

3. Составить схему электролиза водного раствора H₂SO₄ с платиновыми электродами.

Задание З

1. Составить схему электролиза раствора и расплава MgSO₄ с угольными электродами.

2. Написать уравнения реакций, идущих на электродах при электролизе водных растворов CuCl₂ и NiSO₄ с серебряными электродами.

3. Составить схемы электролиза водных растворов HCl и Pb(NO₃)₃ с железным анодом.

Задание 4

1. Составить схему электролиза раствора NiSO₄ с никелевым анодом.

2. Имеется смесь растворов солей: AgNO₃, FeCl₂, MgSO₄. В каком порядке и как будет идти восстановление катионов на катоде и окисление анионов на аноде?

3. Составить схему электролиза расплава КОН с инертными электродами.

Задание 5

1. Почему щелочные металлы нельзя получить электролизом растворов их солей? Ответ мотивировать примером электролиза растворов.

2. Написать уравнения реакций, идущих на электродах при электролизе раствора NiCl₂ с медным анодом.

3. В какой последовательности будут выделяться металлы при электролизе раствора, содержащего сульфаты никеля, серебра и меди?

Задание 6

1. Какие вещества выделяются на электродах при электролизе раствора хлорида калия?

2. Составить схему электролиза раствора нитрата кальция: а) с медным анодом; б) с медным анодом, содержащим примеси никеля.

3. Написать уравнения реакций, идущих на электродах при электролизе смеси растворов: NaNO₃, NiCl₂, MnSO₄. В каком порядке выделяются ионы металлов на катоде?

Задание 7

1. Почему нельзя получить калий электролизом раствора K₂SO₄? Ответ мотивировать, написав уравнения реакций на электродах при электролизе водного раствора K₂SO₄.

2. Какие процессы пойдут на электродах при электролизе раствора CuSO₄ с железным анодом, содержащим примеси цинка?

3. Составить схему электролиза расплава KNO₃.

Задание 8

1. Написать уравнения реакций, идущих на электродах при рафинировании никеля. Электролит NiSO₄.

2. Имеется смесь растворов солей: KNO₃, CoCl₂, CuSO₄. В каком порядке и как будет идти восстановление катионов на катоде и окисление анионов на аноде?

3. Составить схемы электролиза раствора ZnCl₂: а) с цинковым анодом, б) с угольным анодом.

Задание 9

1. Какие вещества выделяются на электродах при электролизе раствора сульфата меди (II) с медным анодом?

2. Написать уравнения реакций, идущих на электродах при электролизе раствора сульфата кальция с никелевым электродом?

3. Написать уравнения реакций, идущих на электродах при электролизе смеси растворов: Ca(NO₃)₂, MgCl₂, NiSO₄. В каком порядке выделяются ионы металлов из раствора?

Задание 10

1. Какие вещества выделяются на электродах при электролизе раствора хлорида алюминия?

2. Написать схему электролиза раствора хлорида кобальта с кобальтовым электродом, содержащим примеси никеля.

3. Раствор содержит ионы: Fe²⁺, Ag⁺, Bi³⁺, Pb²⁺. В какой последовательности эти ионы будут выделяться при электролизе?

Задание 11

1. Написать схему электролиза раствора и расплава FeCl₃.

2. Написать схему электролиза CuSO₄ раствора с магниевым электродом (анод), содержащим примеси серебра.

3. В какой последовательности будут выделяться металлы при электролизе раствора, содержащего хлориды ртути, хрома, кальция?

Задание 12

1. Какие вещества выделяются на электродах при электролизе раствора хлорида германия (II)?

2. Составить схему электролиза раствора сульфата кадмия с железным анодом.

3. Написать схему электролиза смеси растворов: CuSO₄, AgNO₃, FeCl₂, Na₂SO₄. В каком порядке выделяются ионы из раствора?

Задание 13

1. Написать схему электролиза раствора и расплава Al₂(SO₄)₃.

2. Написать схему электролиза раствора K₂SO₄ с медным анодом.

3. Неочищенная медь содержит примеси серебра и цинка. Что произойдет, с этими примесями при электролитическом рафинировании меди?

Задание 14

1. Какие процессы протекают при электролизе водного раствора хлорида олова (II) при оловянном аноде?

2. Написать уравнения реакций, идущих на электродах при электролизе смеси растворов: CuCl₂, Cd(NO₃)₂, Fe(NO₃)₃. Указать порядок разрядки ионов на катоде и аноде.

3. Написать уравнения реакций, идущих на электродах при электролизе раствора с медным анодом, содержащим примеси платины. Раствор SnCl₂.

Задание 15