12. Електроліз Короткі теоретичні відомості

Електроліз – це сукупність окисно-відновних процесів, які відбуваються на електродах при проходженні постійного електричного струму крізь розчин або розплав електроліту.

Мінімальна напруга, яку потрібно прикласти до електродів для забезпечення процесу електролізу, називається напругою розкладання (електролізу), U_розкл., В. Вона дорівнює різниці потенціалів між анодом і катодом і завжди має позитивне значення:

U_розкл. =  > 0.

Відзначимо, що у формулі напруги розкладання має мінімальне з можливих значень,  максимальне.

На катоді під час електролізу, як і у гальванічному елементі, перебігає процес відновлення. Відновлюватись можуть позитивно заряджені іони (катіони) Ме^z+, Н⁺ або іони Гідрогену води (Н⁺-ОН). Таким чином, при електролізі катод приєднується до негативного полюса джерела електричного струму.

Враховуючи, що потенціал водневого електрода у залежності від кислотності розчину та перенапруги виділення водню може змінюватись у межах від –1,6 до –0,41 В, можна зробити такі висновки:

1) якщо потенціал металу менший за 1,6 В, на катоді відновлюється Гідроген води і внаслідок перебігу реакції cередовище стає лужним:

К(): 2H₂O + 2е = H₂ + 2OH^;

2) якщо потенціал металу більший за 0,41 В, відновлюються іони металу:

К(): Ме^z+ + ze = Me⁰;

3) якщо потенціал металу лежить у межах від 1,6 до 0,41 В, відновлюються одночасно іони металу та молекули води, хоча при певних змінах умов процесу (концентрація розчину солі металу, рН, густина струму, матеріал електрода) можливо відновити тільки метал.

На аноді під час електролізу, як і в гальванічному елементі, проходить процес окиснення. Окиснюватись можуть негативно заряджені іони (аніони): кислотні залишки та атоми Оксигену води. Процес має відбуватися при мінімальному значенні потенціалу анода. Тут можна користуватись емпіричним правилом простого аніона, яке дає послідовність окиснення аніонів на аноді: чим простіший за складом аніон, тим менший потенціал він має і тим легше окиснюється:

S^2, I^, Br^, Cl^; …OH^, HO; …SO, NO.

Напрямок зростання потенціалу окиснення  зліва направо. Отже, якщо у водному розчині є прості одноатомні аніони, вони окиснюються у першу чергу, наприклад:

S^2  2e = S,

а якщо такі аніони у розчині відсутні, то окиснюється вода і розчин стає кислим:

2Н₂О  4е = О₂ + 4Н⁺.

Якщо анод виготовлено з металу, який має потенціал менший, ніж необхідно для окиснювання води (< +0,82 В), то відбувається окиснення цього металу (т. з. розчинний анод):

Me⁰  ze = Ме^z+.

Кількісні розрахунки електролізу треба виконувати згідно з законом Фарадея:

m(Х) = , де

m(Х) – маса речовини, що окиснювалась або відновлювалась, г;

М(Х)  молярна маса цієї речовини, г/моль;

І  сила струму, А;

  час проведення електролізу, с;

z  кількість електронів, що беруть участь у електродному процесі;

F  стала Фарадея ( 96500 Кл/моль).

Приклад. Розрахуйте масу, а для газів  об’єм (н.у.) речовин, які виділяються на електродах під час електролізу водного розчину AgNO₃ з графітовими (інертними) електродами, якщо сила струму дорівнює 2А, а тривалість процесу – 1 година.

Розв’язання. Перш за все записуємо рівняння катодного й анодного процесів:

К(): Ag⁺ + e = Ag ( = _max);

= + 0,80 B.

Згідно з правилом простого аніона:

A(+): Н₂О  4е = О₂ + 4Н⁺;

=  0,41 B.

Розраховуємо масу срібла:

m(Ag) =  8,06 (г).

Розраховуємо об’єм кисню, використовуючи формулу закону Фарадея для газів (н. у.):

V_газу = ;

V(O₂) =  0,42 (л).

Задачі

При розв’язуванні всіх задач за цією темою необхідно писати рівняння анодного та катодного процесів.

1. Скільки грамів H₂SO₄ утворюється біля анода при електролізі розчину Na₂SO₄, якщо на аноді виділяється 1,12 л кисню за н.у.? Обчисліть масу речовини, що виділяється на катоді.

2. При електролізі розчину нітрату двохвалентного металу струмом силою 1А на протязі 1 год на катоді виділилось 2,219 г металу. Визначте невідомий метал.

3. Через послідовно включені у коло постійного струму розчини AgNO₃ і CuCl₂ пропускають струм силою 5А на протязі 10 хв. Яка маса кожного металу виділиться на катодах за цих умов?

4. При електролізі розчинів AgNO₃, CuSO₄ і ВіCl₃, що знаходяться у послідовно з’єднаних електролізерах, виділилось 5,4 г срібла. Визначте маси міді та вісмуту, що виділились за цих умов.

5. Скільки часу знадобиться для електролізу розчину NaCl для того, щоби при силі струму 2А виділити хлор об’ємом 11,2 л (н.у.), якщо вихід за струмом дорівнює 80 %?

6. Які продукти і якої маси виділяються на електродах при повному розкладанні NaI масою 300 г, що знаходиться: а) у розплавленому стані; б) у водному розчині.

7. Залізний предмет загальною площиною 0,08 м² було занурено в якості катода у розчин солі нікелю. Через систему пропускали струм силою 3,15А на протязі 42 хв. Яка товщина шару нікелю, що виділився за цих умов (d_Ni = 8900 кг/м³)?

Наведіть рівняння електродних процесів при електролізі водного розчину, який містить суміш наведених нижче речовин. Електроди інертні. Напруга в системі та сила струму – мінімально необхідні.

8. Cu(NO₃)₂ i KCl.

9. Cu(NO₃)₂ i H₂SO₄.

10. KNO₃ i CaCl₂.

11. Al(NO₃)₃ i Na₂SO₄.

12. В якій послідовності з водних розчинів розряджаються на катоді іони Ag⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Bi³⁺, Sn⁴⁺? Який процес відбувається на інертному аноді, якщо взято нітрати цих металів? Дайте обгрунтовану відповідь.

При електролізі розчину якої з наведених солей на електродах виділяються тільки гази? Запишіть рівняння електродних процесів. Обчисліть об’єми газів, які виділились за нормальних умов на електродах при пропусканні через розчин указаної кількості електрики.

13. KCl, CuSO₄, NaI; 4825 Кл.

14. AgNO₃, Na₂SO₄, CuCl₂; 10722,2 Кл.

15. Hg(NO₃)₂, AuCl₃, Ca(NO₃)₂; сила струму 4 А, час електролізу 60 хв.

16. NiSO₄, BaCl₂, KBr; сила струму 2 А, час електролізу 1 год. 40 хв.

Чим відрізняється електроліз водних розчинів електролітів від електролізу їх розплавів? Запишіть рівняння електродних процесів при електролізі з інертними електродами нижче наведеної речовини. Розрахуйте маси (чи об’єми для газів, обмірювані за н. у.) речовин, що виділилися на електродах за заданих умов електролізу.

17. CuCl₂; кількість пропущеної через розчин електрики  11580 Кл.

18. NaOH; сила струму  13,4 А, час електролізу  12 хв.

19. KI із ртутним катодом, сила струму  3 А, час електролізу – 2 год.

20. AlCl₃; кількість пропущеної через розчин електрики  9650 Кл.

21. Струм силою 4А пропускали через електролізер на протязі 16 хв. 5 с. За цей час на катоді виділився свинець масою 4,14 г з розплаву одної з його сполук. Визначте, плюмбуму якої валентності (II чи IV) була ця сполука. Запишіть рівняння електродних процесів водного розчину Pb(NO₃)₂ на інертних електродах.

22. При електролізі одної зі сполук стануму струмом силою 10А за 3 хв. на електродах виділився метал масою 0,554 г і хлор об’ємом 209 мл

(н. у.). Знайдіть формулу цієї сполуки.

23. Для одержання 1 м³ (н. у.) хлору при електролізі водного розчину MgCl₂ було пропущено через розчин 2423 Ач електрики. Обчисліть вихід за струмом. Дайте повну схему електролізу MgCl₂ з використанням графітових електродів.

24. Складіть рівняння електродних процесів, що перебігають при електролізі розчину NiSO₄, якщо анод: а) платиновий; б) нікелевий. З чого зроблено анод – платини чи нікелю, – якщо його маса за 10 хв. зменшилася на 5,87 г? Розрахуйте струм електролізу.

25. Складіть рівняння електродних процесів при електролізі розчину Al₂(SO₄)₃ у випадку: а) графітового анода; б) алюмінієвого анода. Розрахуйте масу речовин (об’ємів за н. у., у випадку виділення газів), які утворилися на електродах при пропусканні через розчин струму силою 5А на протязі 30 хв.