Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей, кислот)

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.

Схема электролиза

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)

Расплав основания

Разложение расплавов солей происходит по-разному у бескислородных и кислородосодержащих. У бескислородной соли на аноде окисляется анион – кислотный остаток, а у кислородосодержащей – окисляется кислород.

Расплав соли

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)  2K0Cl20

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. 

Процесс на катоде

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- → H + 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- → H + 2OH-

Молекулы воды окисляются на аноде и выделяется кислород.

  • Анод: 2H2O — 4e- → O2 + 4H+

В результате получаем общее уравнение электролиза:

  • 2H2O → 2H+ 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- → H + 2OH-

На аноде откладываются молекулы кислорода.

  • Анод: 4OH- — 4e- → O2 + 4H+

Получаем суммарное уравнение электролиза:

  • 2H2O → 2H+ 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 → 2H+ 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:

18 сентября 2020, 14:47

Комментарии

Для добавления комментариев необходимо авторизоваться.