Сильнейшим окислительно - восстановительным действием обладает электрический ток. С помощью воздействия электрического тока на вещество можно получить чистый металл. Этот метод называется электролизом.
Электролиз – процесс, при котором происходит разложение вещества электрическим током.
Процесс электролиза может протекать только в веществах, проводящих электрический ток, то есть электролитах. К электролитам относят представителей основных классов неорганических соединений – кислоты, соли, щелочи.
Для протекания процесса требуется устройство, называемое электролизером.
Данное устройство работает от внешнего источника питания, который подает электрический ток. Представляет собой емкость, в которую опущены два электрода (катод и анод), заполнена емкость электролитом. При подаче электрического тока происходит разложение вещества. Для того чтобы узнать протекает электролиз или нет, в цепь включают лампочку, если лампочка загорается, значит в системе есть ток, если при замыкании цепи, лампочка не горит, то электролиз не протекает – вещество является не электролитом.
Катод (-) – является отрицательно заряженным электродом, катионы ( + ) перемещаются к нему и происходит процесс восстановления.
Анод (+) – положительно заряженный электрод, к нему перемещаются анионы (-) и происходит процесс окисления.
Можно выделить два типа электролиза для расплавов и растворов. Ход этих двух процессов происходит по-разному. Зависит по большей части это от содержания воды в растворе, которая тоже принимает участие в процессе. В расплаве происходит разложение только вещества.
Особенности электролиза расплавов
В расплаве электролит непосредственно подвергается воздействию электрического тока. Металл всегда образуется на катоде, а продукт анода зависит от природы вещества.
При разложении расплава оснований на катоде образуется металл, а на аноде окисляется кислород. (расплав соли – это чистое вещество без примесей в основном твердые вещества)
Разложение расплавов солей происходит по-разному у бескислородных и кислородосодержащих. У бескислородной соли на аноде окисляется анион – кислотный остаток, а у кислородосодержащей – окисляется кислород.
Рассмотрим пример электролиза расплава бескислородной соли – хлорида калия. Под действием постоянного электрического тока соль разлагается на катионы калия и анионы хлора.
- KCl → K+ + Cl-
Катионы K+ перемещаются к катоду и принимают электроны, происходит восстановление металлического калия.
- Катодный процесс: K+ + e- → K0
Анионы Cl- движутся к аноду, отдавая электроны, происходит образование газообразного хлора.
- Анодный процесс: 2Cl- — 2e- → Cl20↑
Суммарное уравнение процесса электролиза расплава хлористого калия можно представить следующим образом:
- 2KCl (эл.ток) 2K0 + Cl20↑
Особенности электролиза растворов
В растворах электролитов, помимо самого вещества, присутствует вода. Под действием электрического тока водный раствор электролита разлагается.
Процессы, происходящие на катоде и аноде, различаются.
1. Процесс на катоде не зависит от материала, из которого он изготовлен. Однако, зависит от положения металлов в электрохимическом ряду напряжений.
2. Процесс на аноде зависит от материала, из которого состоит анод и от его природы.
а) Растворимый анод (Cu, Ag, Ni, Cd) подвергается Me => Men+ + ne
б) На не растворимом аноде (графит, платина) обычно окисляются анионы S-, J-, Br-, Cl-, OH- и молекулы H2O:
- 2J- => J20 + 2e;
- 4OH- => O2 + 2H2O + 4e;
- 2H2O => O2 + 4H+ + 4e
Рассмотрим примеры различных вариантов электролиза растворов:
1. Разложение бескислородной соли на нерастворимом электроде
Чтобы ознакомиться с этим вариантом электролиза, возьмем йодистый калий. Под действием тока ионы калия устремляются к катоду, а ионы йода к аноду.
- KI → K+ + I-
Калий находится в диапазоне активности слева от алюминия, поэтому на катоде восстанавливаются молекулы воды и образуется атомарный водород.
- Катод: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
Процесс протекает на нерастворимом аноде и в состав соли входит бескислородный остаток, поэтому на аноде образуется йод.
- Анод: 2I-— 2e- → I20
В результате можно создать общее уравнение электролиза:
- 2KI + 2H2O (эл.ток) 2KOH + I2 + H2↑
2. Разложение бескислородной соли на растворимом электроде (медь)
Рассмотрим на примере хлорида натрия. Данная соль разлагается на ионы натрия и хлора, но следует учитывать материал анода. Медный анод сам подвергается окислению. На аноде выделяется чистая медь, и ионы меди переходят с анода на катод, где также осаждается медь. В итоге процесс можно представить следующими уравнениями реакций.
- NaCl → Na+ + Cl-
- Катод: Cu2+ + 2e- → Cu0
- Анод: Cu0 — 2e- → Cu2+
В растворе концентрация хлорида натрия остается неизменной, поэтому составить общее уравнение реакции процесса не представляется возможным.
3. Разложение кислородосодержащей соли на нерастворимом (инертном) электроде
Возьмем для примера раствор нитрата калия. В процессе электролиза происходит распад на ионы калия и кислотного остатка.
- KNO3 → K+ + NO3-
В ряду активности металлов калий находится левее алюминия, поэтому на катоде восстанавливаются молекулы воды и образуется газообразный водород.
- Катод: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
Молекулы воды окисляются на аноде и выделяется кислород.
- Анод: 2H2O — 4e- → O2 + 4H+
В результате получаем общее уравнение электролиза:
- 2H2O → 2H2 + O2
4. Электролиз раствора щелочи на инертном электроде
В случае разложения щелочи в процесс электролиза включаются молекулы воды и гидроксид-ионы.
- Ba(OH)2 → Ba2+ + 2OH-
Барий находится левее алюминия, поэтому на катоде происходит восстановление воды и выделение водорода.
- Катод: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
На аноде откладываются молекулы кислорода.
- Анод: 4OH- — 4e- → O2 + 4H+
Получаем суммарное уравнение электролиза:
- 2H2O → 2H2 + O2
5. Электролиз раствора кислоты на инертном электроде
При разложении азотной кислоты под действием электрического тока в процесс вступают катионы водорода и молекула воды.
- HNO3 → H+ + NO3-
- Катод: 2H+ + 2e- → H2
- Анод: 2H2O — 4e- → O2 + 4H+
На катоде выделяется водород, на аноде – кислород. Получаем суммарное уравнение процесса:
- 2H2O → 2H2 + O2
Применение электролиза
Процессы электролиза нашли свое применение в промышленности в первую очередь для получения чистых металлов электрохимическим путем. Побочными продуктами этого процесса являются кислород и водород, поэтому он является промышленным способом получения этих газов. Очень часто применяют для очистки металлов от примесей и защиты от коррозии.
Смотри также:
- Классификация химических реакций в неорганической и органической химии
- Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения
- Скорость химической реакции, ее зависимость от различных факторов
- Обратимые и необратимые химические реакции. Химическое равновесие. Смещение химического равновесия под действием различных факторов
- Электролитическая диссоциация электролитов в водных растворах. Сильные и слабые электролиты
- Реакции ионного обмена
- Гидролиз солей. Среда водных растворов: кислая, нейтральная, щелочная
- Реакции окислительно-восстановительные. Коррозия металлов и способы защиты от нее
- Ионный (правило В.В. Марковникова) и радикальный механизмы реакций в органической химии
Как вы считаете, материал был полезен?