Определения
Электролиз — это окислительно-восстановительная реакция, которая протекает на электродах и основана на пропускании электрического тока через раствор или расплав.
Не менее важными участниками электролиза являются электроды: катод и анод. Если вы вдруг забыли, что такое катод и анод в химии, напомним.
Катод — это отрицательно заряженный электрод, который притягивает положительно заряженные ионы (катионы). А анод — это положительно заряженный электрод, который притягивает к себе отрицательно заряженные ионы (анионы). Таким образом, на катоде всегда происходит процесс восстановления, а на аноде всегда происходит процесс окисления.
Электроды бывают растворимые и инертные. Растворимые изготавливаются из металлов, например, меди и подвергаются химическим превращениям в ходе электролиза. А вот инертные или нерастворимые электроды не подвергаются химическим превращениям и остаются в неизменном виде как до реакции, так и после нее. Как правило, такие электроды изготавливают из графита или платины.
Виды электролиза
Различают два вида электролиза:
Электролиз расплава.
Электролиз водного раствора.
Прежде чем мы рассмотрим каждый процесс отдельно, давай познакомимся с общими для двух видов процессами на электродах.
Процесс на катоде K (−) Катион принимает электроны и восстанавливается: Me+n + ne− → Me0 (восстановление). Процесс на аноде A (+) Анион отдает электроны и окисляется: неMe−n − ne− → неMe0 (окисление). Процессы, протекающие при электролизе в общем случае: К− : Ме+n + ne− → Ме0; А+ : неМе−n − ne− → неМе0. Суммарное уравнение электролиза:  |
|---|
Получи больше пользы от Skysmart:
-
Подтяни оценки на курсах по химии.
-
Выбирай из 550+ репетиторов по химии.
Записывайся на бесплатные курсы для детей.
Электролиз расплава
Рассмотрим электролиз расплава пищевой соли — хлорида натрия. При сильном нагревании кристаллический твердый хлорид натрия плавится. Полученный расплав содержит подвижные ионы хлора и натрия, освободившиеся из кристаллической решетки, и проводит электрический ток.
К−: 2Na+ + 2e− = 2Na0
А+: 2Cl− − 2e− = Cl2
Суммарное уравнение электролиза:
При опускании в расплав угольных (инертных) электродов, присоединенных к источнику тока, ионы приобретают направленное движение: катионы движутся к отрицательно заряженному электроду (катоду), анионы — к положительно заряженному электроду (аноду) и отдают электроны.
Теперь давайте рассмотрим электролиз расплава гидроксида калия.
На катоде происходит восстановление калия за счет принятия электронов. А на аноде протекает более сложная реакция. Гидроксогруппы отдают свой электрон и становятся нейтральными, но такое состояние для них крайне невыгодно, так как неустойчиво, и они объединяются в группы, чтобы потом разложиться с выделением газообразного кислорода и воды
Итог электролиза расплава — металлический калий на катоде, газообразный кислород и пары воды на аноде.
Электролиз раствора
Основным отличием водного раствора от расплава является присутствие молекул воды и ионов H+ и OH- как продуктов диссоциации воды. В связи с этим возле катода и анода скапливаются ионы, которые конкурируют как друг с другом, так и с молекулами воды. Рассмотрим электролиз на примере водного раствора KF:
К−: 4H2O + 4e− = 2H20 + 4OH−
А+: 2H2O − 4e− = O2 + 4H+
Суммарное уравнение электролиза:
Как видно, ни калий, ни фтор не фигурируют в продуктах электролиза. Почему так происходит?
Наиболее активные металлы — сильные восстановители. Калий — как раз такой металл, поэтому обратный процесс восстановления активных металлов из соединений осуществить сложно. При электролизе водных растворов солей активных металлов на катоде протекает восстановление не катионов этих металлов, а воды с образованием водорода.
Разберем порядок восстановления катионов металлов на катоде в зависимости от их активности.
Последовательность разрядки катионов зависит от положения металла в электрохимическом ряду напряжения.
Если у катода накапливаются молекулы воды и катионы металла, который находится в ряду напряжения после водорода, то восстанавливаются ионы металла.
Если у катода накапливаются молекулы воды и катионы металла, который стоит в начале ряда напряжения от лития до алюминия включительно, то восстанавливаются ионы водорода из молекул воды. Катионы металла не восстанавливаются, остаются в растворе.
Если у катода накапливаются молекулы воды и катионы металла, который расположен в ряду напряжения между алюминием и водородом, то восстанавливаются и ионы металла, и частично ионы водорода из молекул воды.
Если в растворе находится смесь катионов разных металлов, то сначала восстанавливаются катионы менее активного металла.
При электролизе раствора кислоты на катоде восстанавливаются катионы водорода до газообразного водорода.
В процессе электролиза расплавов и растворов на электродах часто наблюдается коррозия металлов. Подробнее об этом мы писали в статье «Виды коррозии».
Для удобства мы собрали информацию об электролизе в таблице:
Теперь разберемся, что происходит с анионами в водных растворах при электролизе. Для начала познакомимся с последовательностью восстановления анионов на аноде:
Чем меньше выражена восстановительная активность, тем хуже анионы могут окисляться на аноде. К тому же процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аниона.
Если анод инертный или нерастворимый, то на нем протекают следующие реакции:
При электролизе растворов солей бескислородных кислот (кроме фторидов!), на аноде происходит процесс окисления аниона.
При электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот и фторидов на аноде выделяется газообразный кислород вследствие окисления молекул воды. Анион при этом не окисляется, оставаясь в растворе.
При электролизе растворов щелочей происходит окисление гидроксид-ионов.
Если анод растворимый, то на нем всегда происходит окисление металла анода — независимо от природы аниона.
Исключением является электролиз солей карбоновых кислот. Таблица выше не описывает происходящее на аноде. Давайте рассмотрим, что же там происходит.
В результате электролиза водных растворов солей щелочных металлов карбоновых кислот происходит образование углеводородов вследствие рекомбинации углеводородных радикалов.
В общем виде электролиз солей карбоновых кислот можно записать так:
На катоде образуется газообразный водород, а на аноде — углекислый газ, углеводород, полученный удвоением радикала. В катодном пространстве накапливается щелочь.
В случае разделения катодного и анодного пространства углекислый газ реагирует со щелочью с образованием гидрокарбоната.
Применение электролиза
А теперь самое главное: зачем вообще нужен электролиз? Рассмотрим применение этого вида ОВР:
С помощью электролиза расплавов природных соединений в металлургической промышленности получают активные металлы (калий, натрий, бериллий, кальций, барий). С помощью электролиза растворов солей — цинк, кадмий, кобальт и другие.
В химической промышленности электролиз используют для получения фтора, хлора, водорода, кислорода, щелочей, бертолетовой соли и других веществ.
Электролиз с растворимым анодом используют для нанесения металлических покрытий (из хрома, золота, никеля, серебра), что предохраняет металлические изделия от коррозии и придает им декоративный вид.
Чтобы получать хорошие оценки по химии, важно понимать также процесс гидролиза. Из нашей статьи вы можете узнать о гидролизе солей и других химических веществ.
Вопросы для самопроверки
1. Выберите верное продолжение фразы «катод — это...»:
Положительно заряженный электрод, к которому притягиваются положительно заряженные ионы.
Положительно заряженный электрод, к которому притягиваются отрицательно заряженные ионы.
Отрицательно заряженный электрод, к которому притягиваются положительно заряженные ионы.
Отрицательно заряженный электрод, к которому притягиваются отрицательно заряженные ионы.
2. Продолжите фразу «электролиз — это…»:
ОВР с применением тока.
Реакция без изменения степеней окисления с применением тока.
ОВР с применением катализаторов.
Обменная реакция.
3. Как заряжен анион?
Положительно.
Отрицательно.
Нейтрально.
Не имеет заряда.
4. Чем отличается электролиз раствора от электролиза расплава?
Ничем.
В расплаве плавится твердое.
Присутствием молекул воды и продуктов ее диссоциации.
5. Если металл стоит в ряду активности металлов между алюминием и водородом, что выделится на катоде?
Этот металл.
Водород.
Металл и водород.
Оксид металла.
При электролиза водного раствора фторида лития что на аноде выделится?
Фтор.
Водород.
Кислород.
Вода.
Ответы
c
a
b
c
c
с
