Работа 12. Электролиз.

Цель работы - ознакомление с процессами, протекающими на раствори­мых и нерастворимых электродах при электролизе водных растворов электролитов.

Электролиз - это окислительно-восстановительный процесс, происходящий в растворах или расплавах электролитов под действием постоянного электрического тока. При электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую.

Окислительно-восстановительные реакции происходят на электродах, соединенных с полюсами источника тока. Электрод, соединенный с отрицательным полюсом, является катодом, на нем идет процесс восстановления; электрод, соединенный с положительным полюсом, является анодом, на нем идет процесс окисления.

На катоде в первую очередь идет процесс, характеризующийся наиболее положительным стандартным потенциалом, т.е. в первую очередь реагируют сильные окислители. При электролизе водных растворов солей, гидроксидов на катоде может восстанавливаться катион металла или вода. Восстановление воды идет в зависимости от характера среды по уравнениям:

На аноде в первую очередь происходит тот окислительный процесс, который характеризуется наиболее отрицательным стандартным потенциалом.

Однако, установлено, что при электролизе водных растворов электролитов на аноде сначала окисляется простой анион, не содержащий атома кислорода (S^2-, Cl^-, I^- и т.д.). Если, анион содержит кислород (,,,,и т.д.), то на аноде будет, окисляться вода уравнениям

(электроды нерастворимые)

Некоторые электроды при электролизе не растворяются из-за положительного значения их равновесного потенциала или образования на их поверхности защитных пленок. Примерами таких анодов могут быть платиновые металлы, графит, титан и тантал. В этом случае происходит электро­лиз с нерастворимыми анодами.

Примеры:

1. Электролиз расплава .

Щелочь в расплаве диссоциирует:

2.Электролиз раствора .

Соль диссоциирует в растворе:

3.Электролиз раствора .

Соль диссоциирует в растворе:

4.Электролиз раствора сульфата меди - с медным анодом. В этом случае на катоде протекают те же процессы, что и при не­растворимом аноде (пример 2). В анодном процессе могут подвергаться окислению как сам медный анод, вода, ионыпо схеме:

Окисление воды и ионов более энергоемкие чем окисление мед­ного анода, поэтому при электролизе окисляется практически только мед­ный анод.

Соль диссоциирует в растворе:

Таким образом, электролиз сульфата меди при медном аноде сводится к выделению свободной меди на катоде и постепенному растворению анода. Концентрация сульфата меди в растворе в результате этого сохраняется постоянной.

При определенных условиях в процессе электролиза на аноде, подобно меди, ведут себя и некоторые металлы, например золото, серебро, цинк, кадмий, никель, железо и др. Аноды, приготовленные из металла, превращающегося при электролизе в катионы получили название растворимых анодов.

Если потенциалы двух или нескольких электродных реакций равны, то реакции протекают на электродах одновременно. При этом прошедшее чрез электрод электричество расходуется на все эти реакции. Доля количества электричества, расходуемая на превращение одного из веществ), называется выходом по току этого вещества,

где - количество электричества, израсходованное на превращениеi вещества, - общее количество электричества, прошедшего через раствор.

Теоретическое соотношение между количеством прошедшего электричества и количеством вещества, окисленного или восстановленного на электроде, определяется законом Фарадея, согласно которому при прохождении через электрод одного Фарадея электричества (F = 96500Кл = 26,8) на нем окисляется или восстанавливается 1 моль эквивалентов вещества.

Экспериментальная часть.

ОПЫТ 1. Электролиз раствора 0,5Н илис нерастворимым и растворимым анодами.

Налейте в электролизер раствор соли меди и опустите в него графитовые электроды. Присоедините электроды к источнику постоянного тока и включите ток. Наблюдайте на катоде появление красного налета меди, а в анодном пространстве пузырьки газа. Выключите ток и добавьте в анодное пространство несколько капель лакмуса. Объясните окрашивание лакмуса. Напишите уравнение катодного и анодного процессов.

Поменяйте электроды и включите ток. Наблюдайте исчезновение налета меди на графитовом электроде представляющем анод и появление его на катоде. Напишите уравнение происходящих процессов.

ОПЫТ 2. Электролиз иодида калия.

В электролизер налить раствор иодида калия и добавить по 5-6 ка­пель фенолфталеина в катодное пространство и раствора крахмала в анодное пространство. Опустить графитовые электроды и включить ток.

Отметить изменение цвета раствора в катодном и анодном пространстве. Написать уравнения катодного и анодного процессов.

Рассчитайте, какую величину должно превышать напряжение источника тока, чтобы мог начаться электролиз?

ОПЫТ 3. Электролиз сульфата натрия.

В электролизер налить раствор сульфата натрия и несколько капель нейтрального раствора лакмуса. Опустить графитовые электроды и вклю­чить ток. Наблюдать на обоих электродах выделение газа и изменение ок­раски в обоих коленах электролизера. Объяснить окрашивание лакмуса в катодном и анодном пространстве. Напишите уравнение катодного и анод­ного процессов, протекающих на электродах при электролизе водного раствора.

Контрольные вопросы и задачи.

1. Что называется электролизом?

2. Какова последовательность электродных процессов на катоде и аноде?

3. Чем отличаются процессы при электролизе с растворимыми и нерастворимыми анодами?

4. В воде растворены соли алюминия, цинка и меди с активностью катионов 1моль/л рН раствора 3. Укажите последовательность реакций на катоде.

5. Что такое выход по току и от каких факторов он зависит?

6. Рассмотрите электродные процессы на примерах электролиза водного раствора сульфата меди:

а) с медным;

б) с нерастворимым анодом

и электролиза раствора сульфата цинка

а) с цинковым;

б) с нерастворимым анодом.

7. Сколько времени нужно пропускать ток в ЗА через раствор , чтобы на катоде выделилось 1,0г серебра? Ответ-5мин.

8. Какие процессы окисления-восстановления протекают на аноде, катоде при электролизе водных растворов ,,, если анод угольный?