Электролиз расплавов и растворов веществ. Решение химических задач на закон фарадея в курсе средней школы Пример: Электролиз водного раствора хлорида меди на инертных электродах

Электролиз – процесс, при котором электрическая энергия преобразуется в химическую. Этот процесс протекает на электродах под действием постоянного тока. Каковы продукты электролиза расплавов и растворов, и что входит в понятие «электролиз».

Электролиз расплавов солей

Электролиз – это окислительно-восстановительные реакции протекающие на электродах при пропускании постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита.

Рис. 1. Понятие электролиза.

Хаотическое движение ионов под действием тока делается упорядоченным. Анионы движутся к положительному электроду (аноду) и окисляются на нем, отдавая электроны. Катионы движутся к отрицательному полюсу (катоду) и восстанавливаются на нем, принимая электроны.

Электроды могут быть инертными (металлическими из платины или золота или неметаллическими из угля или графита) или активными. Анод в этом случае растворяется в процессе электролиза (растворимый анод). Его изготавливают из таких металлов, как хром, никель, цинк, серебро, медь и т. д.

При электролизе расплавов солей, щелочей, оксидов катионы металлов разряжаются на катоде с образованием простых веществ. Электролиз расплавов является промышленным способом получения таких металлов, как натрий, калий, кальций (электролиз расплавов солей) и алюминий (электролиз расплава оксида алюминия Al 2 O 3 в криолите Na 3 AlF 6 , используемом для облегчения переведения оксида в расплав). Например, схема электролиза расплава поваренной соли NaCl происходит так:

NaCl Na + + Cl -

Катод (-) (Na +): Na + + е = Na 0

Анод (-) (Cl -): Cl - - е = Cl 0 , 2Cl 0 = Cl 2

Суммарный процесс:

2Na+ +2Cl- = электролиз 2Na + 2Cl 2

2NaCl = электролиз 2Na + Cl 2

Одновременно с получением щелочного металла натрия при электролизе соли получают хлор.

Электролиз растворов солей

Если электролизу подвергаются растворы солей, то, наряду с ионами, образующимися при диссоциации соли, окисляться или восстанавливаться на электродах может и вода.

Существует определенная последовательность разряжения ионов на электродах в водных растворах.

1. Чем выше стандартный электродный потенциал металла, тем легче он восстанавливается. Иначе говоря, чем правее стоит металл в электрохимическом ряду напряжений, тем легче его ионы будут восстанавливаться на катоде. При электролизе растворов солей металлов от лития до алюминия включительно на катоде всегда восстанавливаются молекулы воды:

2H 2 O+2e=H 2 +2OH-

Если электролизу подвергаются растворы солей металлов, начиная с меди и правее меди, на катоде восстанавливаются только катионы металлов. При электролизе солей металлов от марганца MN до свинца Pb могут восстанавливаться как катионы металлов, так, в некоторых случаях, и вода.

2. На аноде окисляются анионы кислотных остатков (кроме F-). Если электролизу подвергаются соли кислородосодержащих кислот, то анионы кислотных остатков остаются в растворе, окисляется вода:

2H 2 O-4e=O 2 +4H+

3. Если анод растворимый, то происходит окисление и растворение самого анода:

Пример : электролиз водного раствора сульфата натрия Na 2 SO 4:

Модуль 2. Основные процессы химии и свойства веществ

Лабораторная работа № 7

Тема: Электролиз водных растворов солей

Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении, электрического тока через раствор или расплав электролита.

При пропускании постоянного электрического тока через раствор электролита или расплав катионы движутся к катоду, а анионы - к аноду. На электродах протекают окислительнo- восстановительные процессы;. Катод, является восстановителем, так как он отдает электроны катионам, а анод - окислителем, так как ой принимает электроны у анионов. Реакции, протекающие на электродах, зависят от состава электролита, природы растворителя, материала электродов, режима работы электролизера.

Химизм процесса электролиза расплава хлорида кальция:

СаСl 2 ↔ Са 2+ + 2Сl -

на катоде Са 2+ + 2e→ Са°

на аноде 2Сl - - 2е→ 2С1° → С1 2

Электролиз раствора сульфата калия на нерастворимом аноде схематически выглядит так:

K 2 SO 4 ↔ 2K + + SO 4 2 -

Н 2 О ↔ Н + + ОН -

на катоде 2Н + + 2е→2Н°→ Н 2 2

на аноде 4ОН - 4е→ О 2 + 4Н + 1

K 2 SO 4 + 4Н 2 О 2Н 2 + О 2 + 2К0Н + H 2 SO 4

Цель работы: ознакомление с электролизом растворов солей.

Приборы и оборудование: выпрямитель электрического тока, электролизер, угольные электроды, наждачная бумага, стаканчики, промывалка.

Рис. 1. Прибор для проведения

электролиза

1 - электролизер;

2 - электроды;

3-токопроводящие проволоки; источник постоянного тока.

Реактивы и растворы: 5% растворы хлорида меди СuС1 2 , иодида калия КI, гидросульфата калия KHSO 4 , сульфата натрия Na 2 SO 4 , сульфата меди CuSO 4 , сульфата цинка ZnSO 4 , 20% раствор гидроксида натрия NaOH, медная и никелевая пластинки, раствор фенолфталеина, азотная кислота (конц.) HNO 3 , 1% раствор крахмала, нейтральная лакмусовая бумага, 10% раствор серной кислоты H 2 SO 4 .

Опыт 1. Электролиз хлорида меди с нерастворимыми электродами

Электролизер наполните до половины объема 5% раствором хлорида меди. Опустите в оба колена электролизера по графитовому стержню, закрепите их неплотно отрезкам и каучуковой трубки. Концы электродов соедините проводниками с источниками постоянного тока. При незначительном запахе хлора электролизер немедленно отключите от источника тока. Что происходит на катоде? Составьте уравнения электродных реакций.

Опыт 2. Электролиз иодида калия с нерастворимыми электродами

Наполните электролизер 5% раствором иодида калия, . прибавьте в каждое колено по 2 капли фенолфталеина. Вставьте в каждое колено электролизера графитовые электроды и соедините их с источником постоянного тока.

В каком колене и почему окрасился раствор? В каждое колено добавьте по 1 капле крахмального клейстера. Где и почему выделяется иод? Составьте уравнения электродных реакций. Что образовалось в катодном пространстве?

Опыт 3. Электролиз сульфата натрия с нерастворимыми электродами

Половину объема электролизера наполните 5% раствором сульфата натрия и добавьте в каждое колено по 2 капли метилоранжа.или лакмуса. Вставьте в оба колена электроды и соедините их с источником постоянного тока. Запишите ваши наблюдения. Почему растворы электролита у разных электродов окрасились в разные цвета? Составьте уравнения электродных реакций. Какие газы и почему выделяются на электродах? В чем заключается сущность процесса электролиза водного раствора сульфата натрия

Электролиз – это окислительно – восстановительные реакции, протекающие на электродах, если через расплав или раствор электролита пропускают постоянный электрический ток.

Катод – восстановитель, отдаёт электроны катионам.

Анод – окислитель, принимает электроны от анионов.

Процессы, протекающие на электродах при электролизе расплавов

(не зависят от материала электродов и природы ионов).

1. На аноде разряжаются анионы (A m - ; OH -

A m - - m ē → A °; 4 OH - - 4ē → O 2 + 2 H 2 O (процессы окисления).

2. На катоде разряжаются катионы (Me n + , H + ), превращаясь в нейтральные атомы или молекулы:

Me n + + n ē → Me ° ; 2 H + + 2ē → H 2 0 (процессы восстановления).

Процессы, протекающие на электродах при электролизе растворов

ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСПЛАВОВ

Задание 1 . Составьте схему электролиза расплава бромида натрия. (Алгоритм 1.)

Задание 2 . Составьте схему электролиза расплава гидроксида натрия. (Алгоритм 2.)

Задание 3. Составьте схему электролиза расплава сульфата натрия. (Алгоритм 3.)

ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРОВ

Задание 1. Составить схему электролиза водного раствора хлорида натрия с использованием инертных электродов. (Алгоритм 1.)

Задание 2. Составить схему электролиза водного раствора сульфата меди (II ) с использованием инертных электродов. (Алгоритм 2.)

Задание 3. Составить схему электролиза водного раствора водного раствора гидроксида натрия с использованием инертных электродов. (Алгоритм 3.)

Запомнить. При электролизе кислородсодержащих кислот (H 2 SO 4 и др .) , оснований (NaOH , Ca (OH ) 2 и др.) , солей активных металлов и кислородсодержащих кислот (K 2 SO 4 и др.) на электродах протекает электролиз воды: 2 H 2 O = 2 H 2 + O 2

Задание 4. Составить схему электролиза водного раствора нитрата серебра с использованием анода, изготовленного из серебра, т.е. анод – растворимый. (Алгоритм 4.)

Министерство образования Российской Федерации

Владимирский государственный университет

Кафедра химии и экологии

Лабораторная работа № 6

Электролиз

Выполнила студентка группы МТС – 104

Сазонова Е.В.

Гришина Е.П.

Владимир 2005

Цель работы.

Краткое теоретическое введение.

Приборы и реактивы.

Ход выполнения работы, наблюдения, уравнения реакций.

Цель работы.

Пронаблюдать электролиз различных растворов, составить соответствующие уравнения реакций.

Краткое теоретическое введение

Электролиз – окислительно-восстановительные процессы, протекающие на электродах при пропускании постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита. Электролиз осуществляют с помощью источников постоянного тока в устройствах, называемых электролизерами.

Катод – электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника тока. Анод – электрод, подключенный к положительному полюсу. На аноде протекают реакции окисления, на катоде – восстановления.

Процессы электролиза могут проходить с растворимым или нерастворимым анодом. Металл, из которого сделан анод, непосредственно участвует в реакции окисления, т.е. отдает электроны и в виде ионов переходит в раствор или расплав электролита.

Нерастворимые аноды сами не принимают непосредственное участие в окислительном процессе, а являются только переносчиками электронов. В качестве нерастворимых анодов могут быть использованы графит, инертные металлы, такие как платина, иридий и др. на нерастворимых анодах идет реакция окисления какого-либо восстановителя, находящегося в растворе.

При характеристике катодных реакций следует иметь в виду, что последовательность восстановления ионов металлов зависит от положения металла в ряду напряжений и от концентрации их в растворе.. если в растворе одновременно находятся ионы двух или нескольких металлов, то в первую очередь восстанавливаются ионы того металла, который имеет более положительный потенциал. Если потенциалы двух металлов близки, то наблюдается совместное выделение двух металлов, т.е. образуется сплав. В растворах, содержащих ионы щелочных и щелочноземельных металлов, на катоде при электролизе выделяется только водород.

Приборы и реактивы

Выпрямитель тока; амперметр; штатив; зажимы; соединительные провода; графитовые электроды; электролизер. Раствор хлорида натрия 0,1 М, раствор сульфата натрия 0,1 М, раствор сульфата меди (II) 0,1 М, раствор иодида калия 0,1 М; фенолфталеин, лакмус.

Ход выполнения работы

Электролиз раствора хлорида натрия

Закрепить электролизер, которым служит U-образная стеклянная трубка, на штативе. Налить в нее на 2/3 объема раствора хлорида натрия. Вставить в оба отверстия трубки электроды и включить постоянный ток напряжением 4 – 6 В. Электролиз вести 3 – 5 мин.

После этого добавить в раствор к катоду несколько капель фенолфталеина, а в раствор к аноду несколько капель раствора иодида калия. Наблюдать окрашивание раствора у катода и у анода. Какие процессы проходят на катоде и на аноде? Написать уравнения реакций, происходящих на катоде и на аноде. Как изменился характер среды в растворе у катода.

Наблюдение: На катоде, к которому капнули фенолфталеин, раствор приобрел малиновый окрас. На аноде восстановился Cl 2 . После добавления крахмала раствор стал фиолетовым.

Уравнение реакции:

NaCl ↔ Na + + Cl -

анод: 2Cl - - 2e → Cl 2

2H 2 O + Cl - → H 2 + Cl 2 + 2OH -

2 NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

на катоде на аноде

Электролиз раствора сульфата натрия

В электролизер налить раствор сульфата натрия. В раствор к катоду и аноду прилить несколько капель нейтрального лакмуса. Включить ток и через 3 – 5 мин наблюдать изменение окраски электролита в прикатодном и прианодном пространстве.

Написать уравнения реакций, происходящих на катоде и на аноде. Как изменился характер среды в прикатодном и прианодном пространстве раствора?

Наблюдение: раствор в прикатодном пространстве стал красным, в прианодном – синим.

Уравнение реакции:

Na 2 SO 4 ↔ 2Na + + SO 4 2-

катод: 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH -

анод: 2H 2 O - 4e → O 2 + 4H +

4OH - - 4H + → 4H 2 O

2H 2 O → 2H 2 + O 2

II )

В электролизер налить раствор сульфата меди (II). Пропустить ток в течение 5 – 10 мин до появления заметного слоя розовой меди на катоде. Составить уравнение электродных реакций.

Наблюдение: на катоде выпадает осадок розоватого цвета – медь.

Уравнение реакции:

CuSO 4 ↔ Cu 2+ + SO 4 -

катод: Cu 2+ + 2e → Cu

анод: 2H 2 O – 4e → O 2 + 4H +

2Cu 2+ + 2H 2 O → 2Cu + O 2 + 4H +

2CuSO 4 + 2H 2 O → 2Cu + O 2 + 2H 2 SO 4

Электролиз раствора сульфата меди (II ) с использованием растворимого анода

Использовать электролизер с раствором и электродами после третьего опыта. Переключить полюса электродов на клеммах источника тока. После этого электрод, который был катодом, теперь будет являться анодом, а электрод, бывший анодом, будет катодом. Таким образом, электрод, покрытый в предыдущем опыте медью, будет выполнять в данном опыте роль растворимого анода. Электролиз проводить до полного растворения меди на аноде.

Что происходит на катоде? Написать уравнения реакций.

Наблюдение: с анода (бывший катод) в раствор переходит медь и ее ионы оседают на катоде (бывший анод).

Уравнение реакции:

CuSO 4 ↔ Cu 2+ + SO 4 -

катод: Cu 2+ + 2e → Cu

анод: Cu 2+ - 2e → Cu

Вывод: В ходе работы я пронаблюдала процесс электролиза и написала соответствующие уравнения реакций.