Какой продукт выделится на катоде
Электролиз (греч. elektron – янтарь + lysis — разложение) – химическая реакция, происходящая при прохождении постоянного тока через
электролит. Это разложение веществ на их составные части под действием электрического тока.
Процесс электролиза заключается в перемещении катионов (положительно заряженных ионов) к катоду (заряжен отрицательно), и отрицательно
заряженных ионов (анионов) к аноду (заряжен положительно).
Итак, анионы и катионы устремляются соответственно к аноду и катоду. Здесь и происходит химическая реакция. Чтобы успешно решать задания
по этой теме и писать реакции, необходимо разделять процессы на катоде и аноде. Именно так и будет построена эта статья.
Катод
К катоду притягиваются катионы – положительно заряженные ионы: Na+, K+, Cu2+, Fe3+,
Ag+ и т.д.
Чтобы установить, какая реакция идет на катоде, прежде всего, нужно определиться с активностью металла: его положением в электрохимическом
ряду напряжений металлов.
Если на катоде появился активный металл (Li, Na, K) то вместо него восстанавливаются молекулы воды, из которых выделяется водород. Если металл средней
активности (Cr, Fe, Cd) – на катоде выделяется и водород, и сам металл. Малоактивные металлы выделяются на катоде в чистом виде (Cu, Ag).
Замечу, что границей между металлами активными и средней активности в ряду напряжений считается алюминий. При электролизе на катоде металлы
до алюминия (включительно!) не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды – выделяется водород.
В случае, если на катод поступают ионы водорода – H+ (например при электролизе кислот HCl, H2SO4) восстанавливается
водород из молекул кислоты: 2H+ – 2e = H2
Анод
К аноду притягиваются анионы – отрицательно заряженные ионы: SO42-, PO43-, Cl-, Br-,
I-, F-, S2-, CH3COO-.
При электролизе кислородсодержащих анионов: SO42-, PO43- – на аноде окисляются не анионы, а молекулы
воды, из которых выделяется кислород.
Бескислородные анионы окисляются и выделяют соответствующие галогены. Сульфид-ион при оксилении окислении серу. Исключением является фтор – если он
попадает анод, то разряжается молекула воды и выделяется кислород. Фтор – самый электроотрицательный элемент, поэтому и является исключением.
Анионы органических кислот окисляются особым образом: радикал, примыкающий к карбоксильной группе, удваивается, а сама карбоксильная группа (COO)
превращается в углекислый газ – CO2.
Примеры решения
В процессе тренировки вам могут попадаться металлы, которые пропущены в ряду активности. На этапе обучения вы можете пользоваться расширенным рядом
активности металлов.
Теперь вы точно будете знать, что выделяется на катоде 😉
Итак, потренируемся. Выясним, что образуется на катоде и аноде при электролизе растворов AgCl, Cu(NO3)2, AlBr3,
NaF, FeI2, CH3COOLi.
Иногда в заданиях требуется записать реакцию электролиза. Сообщаю: если вы понимаете, что образуется на катоде, а что на аноде,
то написать реакцию не составляет никакого труда. Возьмем, например, электролиз NaCl и запишем реакцию:
NaCl + H2O → H2 + Cl2 + NaOH
Натрий – активный металл, поэтому на катоде выделяется водород. Анион не содержит кислорода, выделяется галоген – хлор. Мы пишем уравнение, так
что не можем заставить натрий испариться бесследно 🙂 Натрий вступает в реакцию с водой, образуется NaOH.
Запишем реакцию электролиза для CuSO4:
CuSO4 + H2O → Cu + O2 + H2SO4
Медь относится к малоактивным металлам, поэтому сама в чистом виде выделяется на катоде. Анион кислородсодержащий, поэтому в реакции выделяется
кислород. Сульфат-ион никуда не исчезает, он соединяется с водородом воды и превращается в серую кислоту.
Электролиз расплавов
Все, что мы обсуждали до этого момента, касалось электролиза растворов, где растворителем является вода.
Перед промышленной химией стоит важная задача – получить металлы (вещества) в чистом виде. Малоактивные металлы (Ag, Cu) можно легко получать
методом электролиза растворов.
Но как быть с активными металлами: Na, K, Li? Ведь при электролизе их растворов они не выделяются на катоде в чистом виде, вместо них восстанавливаются
молекулы воды и выделяется водород. Тут нам как раз пригодятся расплавы, которые не содержат воды.
В безводных расплавах реакции записываются еще проще: вещества распадаются на составные части:
AlCl3 → Al + Cl2
LiBr → Li + Br2
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Источник
| Дано: а)CuCl2, б) NaОН. Анод инертный | Решение а) CuCl2 = Cu2+ + 2Cl-. Схему электролиза составляем в соответствии с табл. 11.1 и 11.2: K(-) A(+) инертный Cu2+ + 2ē = Cu 2Cl- –2ē = Cl2 H2O H2O |
| 1. Схема электролиза – ? 2. Продукты электролиза – ? |
На катоде выделяется Cu, на аноде – Cl2.
б) NaОН = Na+ + ОН-.
K(-) A(+) инертный
Na+ 4ОН – 4ē = О2 + 2H2О
2H2O + 2ē = H2 + 2OH-
На катоде выделяется Н2, на аноде – О2.
2. Составить схемы электролиза и написать уравнения электродных процессов водного раствора сульфата никеля (II) , если: а) анод инертный; б) анод никелевый. Какие продукты выделяются на катоде и аноде?
| Дано: NiSO4 а) анод инертный б) анод никелевый | Решение а) анод – инертный NiSO4 = Ni2+ + . Схему электролиза составляем в соответствии с табл. 11.1. и 11.2: |
| 1. Схема электролиза – ? 2. Продукты электролиза – ? |
K(-) A(+) инертный
Ni2+ + 2ē = Ni
2H2O + 2ē = H2 + 2OH- 2H2O – 4ē = О2 + 4H+.
На катоде выделяется Ni и H2 , на аноде выделяется О2.
б) анод – никелевый:
NiSO4 = Ni2+ +
K(-) A(+) (Ni)
Ni2+ + 2ē = Ni , Н2О
2H2O + 2ē = H2 + 2OH- Ni – 2ē = Ni2+.
На катоде выделяется Ni и H2, на аноде растворяется Ni.
3. При электролизе растворов а) нитрата кальция, б) нитрата серебра на аноде выделяется 560 мл газа (н.у.). Составить схему электролиза и написать уравнения электродных процессов. Определить, какое вещество и в каком количестве выделилось на катоде. Анод инертный.
В соответствии со схемой электролиза
nэк (О2)(анод) = nэк (Н2)(катод) или ,
откуда
= = = 1120 см3,
= 11200 см3/моль.
= 5600 см3/моль.
На катоде выделилось 1120 см3 водорода.
Ответ: 1120 см3 водорода.
б) AgNO3 = Ag+ + .
Схема электролиза:
K(-) A(+) инертный
Ag+ + ē = Ag
H2O 2H2O – 4ē = О2 + 4H+
На катоде выделяется Ag, на аноде выделяется О2.
По закону эквивалентов: nэк(О2)(анод) = nэк(Ag)(катод) или
,
Откуда = = 10,8 г.
где .
На катоде выделилось 10,8 г серебра.
Ответ: 10,8 г серебра.
УРОВЕНЬ С
Составить схему электролиза и написать уравнения электродных процессов водного раствора сульфата калия (анод инертный). Определить, какие вещества и в каком количестве выделяются на катоде и аноде, если проводить электролиз в течение четырех часов при силе тока 2 А. Температура 298 К, давление 99 кПа.
= = 3,34 л,
где = 11,2 л/моль.
F = 96500 Кл/моль, если τ – c,
F = 26,8 А∙ч/моль, если τ – ч.
= = 1,67 л,
где = 5,6 л/моль, т.е. = 2 .
Объем водорода при заданных условиях
,
откуда
= = 3,73 л.
Объем кислорода при заданных условиях
= 1/2 = 1,87 л.
Ответ: 3,73 л водорода, 1,87 л кислорода.
2. Металлическую деталь, площадь поверхности которой равна 100 см2, необходимо покрыть слоем электролитически осажденной меди из раствора хлорида меди (II). Составить схему электролиза и написать уравнения электродных процессов, если анод медный. Сколько времени должно длиться осаждение при силе тока 8 А и выходе по току 98 %, если толщина покрытия 0,15 мм? Плотность меди 8,9 г/см3.
| Дано: Электролит: CuCl2S = 100 см2h = 0,15 мм I = 8 A BT = 98 % ρCu = 8,9 г/см3 | Решение CuCl2 = Cu2+ + 2Cl- . Схема электролиза: K(-) A(+) (Cu) Cu2+ + 2ē = Cu Cl- H2O H2O Cu – 2ē = Cu2+ На катоде выделяется Cu, на аноде растворяется Cu. |
| Анод медный Схема электролиза – ? Время электролиза τ – ? |
ВТ= .
По закону Фарадея с учетом выхода по току (ВТ) масса меди, фактически выделившейся на катоде:
mCu(факт) = .
Масса меди, необходимая для получения медного покрытия:
mCu(факт) = S ∙ h ∙ ρ, г,
где S – см2, h – см, ρ – г/см3.
S ∙ h ∙ ρCu = ,
откуда
τ = 1,43 часа,
где Mэк(Cu) = = 32 г/моль.
F = 26,8 А∙ч/моль,
10-1 – коэффициент пересчета миллиметров в сантиметры.
Ответ: 1,43 часа.
3. Определить молярную концентрацию эквивалента раствора нитрата серебра, если для выделения всего серебра из 75 см3 этого раствора потребовалось пропустить ток силой 4А в течение
25 минут. Составить схему электролиза и написать уравнения электродных процессов. Анод инертный. Выход по току серебра 100 %.
Молярная концентрация эквивалента раствора AgNO3:
= .
По закону эквивалентов
nэк(AgNO3) = nэк(Ag), nэк(Ag) = ,
где mAg – масса серебра, выделившегося при электролизе с учетом 100 % выхода по току:
mAg = ,
откуда = ,
тогда nэк(AgNO3) = nэк(Ag) = .
Молярная концентрация эквивалента раствора AgNO3
= = 0,83 моль/л,
где τ – c, F = 96500 Кл/моль, Vр-ра – л;
60 – коэффициент пересчета минут в секунды.
10-3 – коэффициент пересчета сантиметров кубических в литры
Ответ: = 0,83 моль/л.
Источник
Химические реакции, сопровождающиеся переносом электронов (окислительно-восстановительные реакции) делятся на два типа: реакции, протекающие самопроизвольно и реакции, протекающие при прохождении тока через раствор или расплав электролита.
Раствор или расплав электролита помещают в специальную емкость — электролитическую ванну.
Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц — ионов, электронов и др. под действием внешнего электрического поля. Электрическое поле в растворе или расплаве электролита создают электроды.
Электроды — это, как правило, стержни из материала, проводящего электрический ток. Их помещают в раствор или расплав электролита, и подключают к электрической цепи с источником питания.
При этом отрицательно заряженный электрод катод — притягивает положительно заряженные ионы — катионы. Положительно заряженный электрод (анод) притягивает отрицательно заряженные частицы (анионы). Катод выступает в качестве восстановителя, а анод — в качестве окислителя.
Различают электролиз с активными и инертными электродами. Активные (растворимые) электроды подвергаются химическим превращениям в процессе электролиза. Обычно их изготавливают из меди, никеля и других металлов. Инертные (нерастворимые) электроды химическим превращениям не подвергаются. Их изготавливают из неактивных металлов, например, платины, или графита.
Электролиз растворов
Различают электролиз раствора или расплава химического вещества. В растворе присутствует дополнительное химическое вещество — вода, которая может принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях.
Катодные процессы
В растворе солей катод притягивает катионы металлов. Катионы металлов могут выступать в качестве окислителей. Окислительные способности ионов металлов различаются. Для оценки окислительно-восстановительных способностей металлов применяют электро-химический ряд напряжений:
Каждый металл характеризуется значением электрохимического потен-циала. Чем меньше потенциал, тем больше восстановительные свойства металла и тем меньше окислительные свойства соответствующего иона этого металла. Разным ионам соответствуют разные значения этого потенциала. Электрохимический потенциал — относительная величина. Электрохимический потенциал водорода принят равным нулю.
Также около катода находятся молекулы воды Н2О. В составе воды есть окислитель — ион H+.
При электролизе растворов солей на катоде наблюдаются следующие закономерности:
1. Если металл в соли — активный (до Al3+ включительно в ряду напряжений), то вместо металла на катоде восстанавливается (разряжается) водород, т.к. потенциал водорода намного больше. Протекает процесс восстановления молекулярного водорода из воды, при этом образуются ионы OH—, среда возле катода — щелочная:
2H2O +2ē → H2 + 2OH—
Например, при электролизе раствора хлорида натрия на катоде будет вос-станавливаться только водород из воды.
2. Если металл в соли – средней активности (между Al3+ и Н+), то на катоде восстанавливается (разряжается) и металл, и водород, так как потенциал таких металлов сравним с потенциалом водорода:
Men+ + nē → Me0
2H+2O +2ē → H20 + 2OH—
Например, при электролизе раствора сульфата железа (II) на катоде будет восстанавливаться (разряжаться) и железо, и водород:
Fe2+ + 2ē → Fe0
2H+2O +2ē → H20 + 2OH—
3. Если металл в соли — неактивный (после водорода в ряду стандартных электрохимических металлов), то ион такого металла является более сильным окислителем, чем ион водорода, и на катоде восстанавливается только металл:
Men+ + nē → Me0
Например, при электролизе раствора сульфата меди (II) на катоде будет восстанавливаться медь:
Cu2+ + 2ē → Cu0
4. Если на катод попадают катионы водорода H+, то они и восстанавливаются до молекулярного водорода:
2H+ + 2ē → H20
Анодные процессы
Положительно заряженный анод притягивает анионы и молекулы воды. Анод – окислитель. В качестве восстановителей выступаю либо анионы кислотных остаток, либо молекулы воды (за счет кислорода в степени окисления -2: H2O-2).
При электролизе растворов солей на аноде наблюдаются следующие закономерности:
1. Если на анод попадает бескислородный кислотный остаток, то он окисляется до свободного состояния (до степени окисления 0):
неМеn- – nē = неМе0
Например: при электролизе раствора хлорида натрия на аноде окисляют-ся хлорид-ионы:
2Cl— – 2ē = Cl20
Действительно, если вспомнить Периодический закон: при увеличении электроотрицательности неметалла его восстановительные свойства уменьшаются. А кислород – второй по величине электроотрицательности элемент. Таким образом, проще окислить практически любой неметалл, а не кислород. Правда, есть одно исключение. Наверное, вы уже догадались. Конечно же, это фтор. Ведь электроотрицательность фтора больше, чем у кислорода. Таким образом, при электролизе растворов фторидов окисляться будут именно молекулы воды, а не фторид-ионы:
2H2O-2 – 4ē → O20+ 4H+
2. Если на анод попадает кислородсодержащий кислотный остаток, либо фторид-ион, то окислению подвергается вода с выделением молекулярно-го кислорода:
2H2O-2 – 4ē → O20 + 4H+
3. Если на анод попадает гидроксид-ион, то он окисляется и происходит выделение молекулярного кислорода:
4O-2H– – 4ē → O20 + 2H2O
4. При электролизе растворов солей карбоновых кислот окислению под-вергается атом углерода карбоксильной группы, выделяется углекислый газ и соответствующий алкан.
Например, при электролизе растворов ацетатов выделяется углекислый газ и этан:
2CH3C+3OO– –2ē → 2C+4O2+ CH3-CH3
Суммарные процессы электролиза
Рассмотрим электролиз растворов различных солей.
Например, электролиз раствора сульфата меди. На катоде восстанавливаются ионы меди:
Катод (–): Cu2+ + 2ē → Cu0
На аноде окисляются молекулы воды:
Анод (+): 2H2O-2 – 4ē → O2 + 4H+
Сульфат-ионы в процессе не участвуют. Мы их запишем в итоговом уравнении с ионами водорода в виде серной кислоты:
2Cu2+SO4 + 2H2O-2 → 2Cu0 + 2H2SO4 + O20
Электролиз раствора хлорида натрия выглядит так:
На катоде восстанавливается водород:
Катод (–): 2H+2O +2ē → H20 + 2OH–
На аноде окисляются хлорид-ионы:
Анод (+): 2Cl– – 2ē → Cl20
Ионы натрия в процессе электролиза не участвуют. Мы записываем их с гидроксид-анионами в суммарном уравнении электролиза раствора хлорида натрия:
2H+2O +2NaCl– → H20 + 2NaOH + Cl20
Следующий пример: электролиз водного раствора карбоната калия.
На катоде восстанавливается водород из воды:
Катод (–): 2H+2O +2ē → H20 + 2OH–
На аноде окисляются молекулы воды до молекулярного кислорода:
Анод (+): 2H2O-2 – 4ē → O20 + 4H+
Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия ионы калия и карбонат-ионы в процессе не участвуют. Происходит электролиз воды:
2H2+O-2 → 2H20 + O20
Еще один пример: электролиз водного раствора хлорида меди (II).
На катоде восстанавливается медь:
Катод (–): Cu2+ + 2ē → Cu0
На аноде окисляются хлорид-ионы до молекулярного хлора:
Анод (+): 2Cl– – 2ē → Cl20
Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия происходит электролиз воды:
Cu2+Cl2– → Cu0 + Cl20
Еще несколько примеров: электролиз раствора гидроксида натрия.
На катоде восстанавливается водород из воды:
Катод (–): 2H+2O +2ē → H20 + 2OH–
На аноде окисляются гидроксид-ионы до молекулярного кислорода:
Анод (+): 4O-2H– – 4ē → O20 + 2H2O
Таким образом, при электролизе раствора гидроксида натрия происходит разложение воды, катионы натрия в процессе не участвуют:
2H2+O-2 → 2H20 + O20
Электролиз расплавов
При электролизе расплава на аноде окисляются анионы кислотных остатков, а на катоде восстанавливаются катионы металлов. Молекул воды в системе нет.
Например: электролиз расплава хлорида натрия. На катоде восстанавли-ваются катионы натрия:
Катод (–): Na+ + ē → Na0
На аноде окисляются анионы хлора:
Анод (+): 2Cl– – 2ē → Cl20
Суммарное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:
2Na+Cl– → 2Na0 + Cl20
Еще один пример: электролиз расплава гидроксида натрия. На катоде восстанавливаются катионы натрия:
Катод (–): Na+ + ē → Na0
На аноде окисляются гидроксид-ионы:
Анод (+): 4OH– – 4ē → O20 + 2H2O
Суммарное уравнение электролиза расплава гидроксида натрия:
4Na+OH– → 4Na0 + O20+ 2H2O
Многие металлы получают в промышленности электролизом расплавов.
Например, алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия в расплаве криолита. Криолит – Na3[AlF6] плавится при более низкой температуре (1100оС), чем оксид алюминия (2050оС). А оксид алюминия отлично растворяется в расплавленном криолите.
В растворе криолите оксид алюминия диссоциирует на ионы:
Al2O3 = Al3+ + AlO33-
На катоде восстанавливаются катионы алюминия:
Катод (–): Al3+ + 3ē → Al0
На аноде окисляются алюминат-ионы:
Анод (+): 4AlO33– – 12ē → 2Al2O3 + 3O20
Общее уравнение электролиза раствора оксида алюминия в расплаве криолита:
2Al2О3 = 4Al0 + 3О20
В промышленности при электролизе оксида алюминия в качестве электродов используют графитовые стержни. При этом электроды частично окисляются (сгорают) в выделяющемся кислороде:
C0 + О20 = C+4O2-2
Электролиз с растворимыми электродами
Если материал электродов выполнен из того же металла, который присут-ствует в растворе в виде соли, или из более активного металла, то на аноде разряжаются не молекулы воды или анионы, а окисляются частицы самого металла в составе электрода.
Например, рассмотрим электролиз раствора сульфата меди (II) с медными электродами.
На катоде разряжаются ионы меди из раствора:
Катод (–): Cu2+ + 2ē → Cu0
На аноде окисляются частицы меди из электрода:
Анод (+): Cu0 – 2ē → Cu2+
Источник