10. Электролиз
Электролиз – это совокупность процессов, протекающих в растворе или расплаве электролита при пропускании через него электрического тока.
Электролиз – дословно: «lysis» – разложение, растворение, распад и «электро» – электрическим током.
Электролиз является одним из важнейших направлений в электрохимии.
Электрический ток, проходя через растворы, вызывает в них, так же как и в расплавах, химические изменения, выражающиеся в том, что из растворов выделяются продукты разложения растворенного вещества или растворителя. Вещества, растворы которых проводят электрический ток за счет движения ионов, получили название электролитов. Электролитами являются кислоты, основания и соли. Это проводники электричества II рода.
Электролиз осуществляется в электролизёрах. Простейший электролизер – это сосуд, заполненный раствором электролита, в который погружены два электрода, соединенные с источником постоянного тока (рис. 6).
Рис. 6. Схема электролизера
Для осуществления электролиза к отрицательному полюсу внешнего
источника тока присоединяют катод, а к положительному – анод и погружают их в электролит. При прохождении тока через электролит положительно заряжённые ионы (K+, Cu2+, NH4+, Fe2+ и другие) под действием электрического поля движутся к отрицательному электроду – катоду, называются катионами, а отрицательно заряжённые ионы (Cl–, CN–, F–, SO42–, NO3– и др.) – к положительному электроду – аноду, и называются анионами.
На катоде идёт процесс восстановления катионов: Меn+, H+, H2O.
На аноде процесс окисления анионов: Anm–, OH–, H2O.
Различают электролиз расплавов и растворов электролитов.
Электролиз расплавов. Процессы в расплавленных электролитах – наиболее простой случай электролиза, т.к. при таком виде электролиза разложению подвергается только одно исследуемое вещество – сам электролит.
Рассмотрим электродные реакции на примере электролиза расплава хлорида натрия (NaCl) и гидроксида калия (KOH).
а) Хлорид натрия как сильный электролит диссоциирует на ионы:
.
К катоду притягиваются положительно заряженные ионы Na+, а к аноду – отрицательно заряженные ионы Cl–.
На катоде протекает процесс восстановления из ионов натрия – натрия металлического
Na+
+
Naо,
а на аноде – процесс окисления, за счет которого и образуется молекулярный хлор из соответствующих ионов Cl–:
Суммарное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:
Разберем еще один пример электролиза расплава гидроксида калия (KOH). В расплаве едкого калия содержатся ионы K+ и OH–, на катоде происходит выделение металлического калия, а у анода ионы OH– окисляются с образованием воды и кислорода.
Уравнение электролиза расплава KOH записывается следующим образом:
Если электролизу подвергается расплав, который содержит несколько катионов металлов, то в этом случае последовательность восстановления определяется электродными потенциалами металлов (см. приложение, табл. 7), причем, в первую очередь восстанавливаются катионы металлов, обладающие большими значениями электродного потенциала.
Электролиз водных растворов. Процессы в водных растворах электролитов – более сложный случай электролиза, т.к. в этом случае разложению действием тока подвергаются не только молекулы электролита, но и молекулы воды.
Характер химических реакций в водных растворах на катоде определяется положением металла в ряду стандартных электродных потенциалов.
Руководствуясь рядом стандартных электродных потенциалов металлов, последовательность восстановительных процессов на катоде можно представить в следующем виде:
