6.9. Электролиз расплавов и растворов солей

Электролизом называют процессы, происходящие на электродах под действием электрического тока, подаваемого от внешнего источника.

При электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую.

Ячейка для электролиза, называемая электролизером, состоит из двух электродов и электролита (рис. 6.3). Электрод, на котором идет реакция восстановления (катод), у электролизера подключен к отрицательному полюсу внешнего источника тока. Электрод, на котором протекает реакция окисления (анод), подключен к положительному полюсу источника тока. Рассмотрим электродные реакции на примере электролиза расплава хлорида натрия.

Рис. 6.3. Схема электролиза расплава NaCl

При плавлении происходит термохимическая диссоциация соли:

.

Если погрузить инертные (угольные) электроды и пропускать постоянный электрический ток, то ионы будут двигаться к электродам: катионы Na⁺ – к катоду, анионы Cl^- – к аноду (рис. 6.3.). В итоге на катоде выделяется металлический натрий, а на аноде – хлор:

2 восстановление

1 окисление

Электролиз растворов солей

Пример 1. Электролиз водного раствора .

При электролизе водных растворов солей нужно учитывать: 1) все ионы в водном растворе гидратированы; 2) в водном растворе помимо самого вещества присутствуют молекулы воды и ионы Н⁺ и ОН^-.

Электролит состоит из следующих частиц, способных участвовать в электродных процессах:иа также воды. Концентрация ионовимала, так как обусловлена слабой диссоциацией молекул.

Восстанавливаться на катоде могут только молекулы :

Восстановление катионов невозможно из-за электроотрицательного потенциала ( В).

Из-за возможных процессов окисления:

В,

В.

на аноде будет протекать реакция, которой отвечает меньший потенциал, то есть окисление воды с выделением О₂.

Итак, при электролизе водного раствора на катоде выделяется Н₂, а на аноде – О₂.

,

.

причем электролит около катода становится щелочным, а около анода – кислым.

Суммарный процесс электролиза

.

Подобное изменение среды в электролите у катода и анода может быть использовано для получения щелочей и кислот, если обеспечить неперемешиваемость растворов у обоих электродов.

Аналогично протекает электролиз водных растворов солей, образованных щелочными и щелочно-земельными металлами и кислородсодержащей кислотой ().

Пример 2. Электролиз водного раствора

На катоде будут восстанавливаться катионы меди:

;

на аноде будет кислород в результате реакции окисления воды:

.

Суммарное уравнение электролиза:

.

Пример 3. Электролиз раствора .

На катоде при электролизе этого раствора выделяется водород

,

.

На аноде выделяется хлор по реакции

Именно таким путем – электролизом насыщенного раствора хлорида натрия – в промышленности получают хлор.

Суммарное уравнение электролиза раствора

Последовательность разряда ионов.

I. Для процессов, протекающих на катоде:

1. При электролизе растворов солей металлов, расположенных в ряду напряжений после Н₂ () на катоде выделяется соответствующий металл по схеме:

.

2. При электролизе растворов солей металлов, которые находятся в начале ряда напряжений (), на катоде разряжаются ионы водорода из воды;

3. при электролизе растворов солей металлов, электронные потенциалы которых находятся между потенциалами (до Н), на катоде выделяется металл и Н₂:

;

.

Если же водный раствор содержит катионы различных металлов, то при электролизе выделение их на катоде протекает в порядке уменьшения величины стандартного электродного потенциала соответствующего металла. Так, из смеси катионов сначала будут восстанавливаться катионы серебразатем катионы медии последними – катионы железа.

Вывод. При разрядке ионов на катоде легче разряжаются те из них, которым отвечает наибольшее значение положительного потенциала.

Характер реакций, протекающих на аноде, зависит как от присутствия молекул воды, так и от вещества, из которого сделан анод. Обычно аноды подразделяются на нерастворимые и растворимые. Первые изготавливаются из угля, графита, платины, иридия; вторые – из меди, серебра, цинка, кадмия, никеля и других металлов.

II. Для процессов, протекающих на нерастворимом аноде.

1) При электролизе водных растворов бескислородных кислот и их солей, кроме и фторидов, будут окисляться данные анионы. Например, при электролизе (и их солей на аноде выделяется)

(галоген)

2) При электролизе кислородсодержащих кислот и их солей (и т. д.) на аноде выделяется О₂, так как анодное окисление претерпевают ионы или вода, но потенциал окисления воды значительно меньше, чем для данных анионов.

Например,

В

В

Вывод. В целом, на аноде происходят в первую очередь те процессы, потенциалы которых более отрицательны, то есть меньше по величине.

Растворимый анод при электролизе сам подвергается окислению, т. е. посылает электроны во внешнюю цепь.

Пример. Два медных электрода помещены в раствор .

Рассмотрим электродные процессы при прохождении электрического тока:

На катоде – восстановление катионов меди:

.

На аноде – окисление меди:

.

Происходит растворение анода:

металл уходит уходят во

анода в раствор внешнюю цепь

и анод растворяется. Этот случай электролиза широко используется для очистки металлов.