4.5. Электролиз

Рис. 10. Схема прибора для электролиза. 1 – электроды, 2 ‑ электролит, 3 – источник тока, 4 – внешняя цепь

Электролиз – это окислительно-восстановительная реакция, протекающая на электродах под действием электрического тока.

Общая схема установки для проведения электролиза изображена на рисунке 10. Она состоит из двух электродов, погруженных в раствор электролита и внешнего источника тока.

При проведении электролиза катод заряжен отрицательно, а анод – положительно. Рассмотрим электролиз водных растворов различных веществ.

Возможные варианты катодных процессов (восстановления) если катион:

1. это – в этом случае катодный процесс записывается следующим образом:

2. это ион металла, находящегося в электрохимическом ряду напряжений после водорода:

3. это ион металла, находящегося в электрохимическом ряду напряжений до алюминия включительно:

4. это ион металла, находящегося в электрохимическом ряду напряжений между Al и Н. Для этих ионов одновременно протекают реакции как их восстановления, так и реакция восстановления воды с выделением Н₂. Но в уравнение реакции записывают только восстановление металла.

Возможные варианты анодных процессов (окисления) если анион:

1. это гидроксид ион , то анодный процесс записывается следующим образом:

2. это бескислородсодержащие анионы , , ( ), то уравнение:

3. это анионы кислородсодержащих кислот ( , , ) и , то уравнение:

Рассмотрим примеры записей уравнений реакций электролиза для различных веществ.

1. Электролиз водного раствора серной кислоты

Катодный процесс

Анодный процесс

Суммарно

После сокращения

2. Электролиз водного раствора хлорида меди (II)

Катодный процесс

Анодный процесс

Суммарно

После сокращения или

3. Электролиз водного раствора нитрата серебра

Катодный процесс

Анодный процесс

Суммарно

После сокращения или

Рассмотренные примеры электродных процессов справедливы для инертных электродов, т.е. для электродов, не принимающих участие в электрохимическом процессе. Если материал электрода изменяется в процессе электролиза, то его называют активным электродом. Рассмотрим процесс электролиза водного раствора CuSO₄ с активным анодом (медным). Отличительной особенностью процесса электролиза с активным анодом является то, что происходит окисление материала электрода, а не компонентов раствора.

Катодный процесс

Анодный процесс

Суммарно

После сокращения

Таким образом, при электролизе водного раствора CuSO₄ с медными электродами происходит перенос меди с анода на катод, а состав электролита не изменяется.

Количественные законы электролиза

Были установлены М. Фарадеем и носят названия законов Фарадея.

Первый закон Фарадея: массы веществ, претерпевших изменения на электродах прямо пропорциональны электрохимическим эквивалентам веществ.

Электрохимическим эквивалентом называется масса вещества, изменяющаяся при прохождении 1 Кл электричества.

Второй закон Фарадея: масса вещества, претерпевшая изменения на электродах, прямо пропорциональна количеству прошедшего электричества Q.

Объединяя первый и второй законы Фарадея, получим, что

(80),

где М – молярная масса вещества, I – сила тока, t – время электролиза, z – число электронов, принимающих участие в полуреакции, F – постоянная Фарадея.

Для газообразных веществ можно записать аналогичное выражение

(81)

В качестве примера количественных расчетов по уравнению Фарадея определим какая масса меди выделяется на катоде при электролизе раствора CuCl₂ током 6 А в течение 4 ч. Запишем полуреакцию восстановления меди.

(z = 2)

Подставим данные в уравнение Фарадея

.

Реально масса или объем вещества будет меньше – это связано с тем, что помимо основной реакции могут протекать побочные, также требующие расхода тока. Для учета побочных реакций вводят дополнительную величину – выход по току (). Выход по току равен отношению практической массы (объема) вещества к массе (объему) вещества, рассчитанного по закону Фарадея.

(82),

поскольку , то

(83).