Лабораторная работа № 10

ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ

Цель работы: Ознакомление с процессами, протекающими на растворимых и нерастворимых электродах при электролизе водных растворов солей.

Электролизомназывается совокупность процессов, протекающих при пропускании постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита. Электролиз проводят в электролизерах, в которые помещают электролит и электроды. Электрод, на котором идет процесс восстановления (катод), подключают к отрицательному полюсу источника тока, электрод, на котором протекает процесс окисления (анод) – к положительному полюсу.

Электроды при электролизе могут быть инертными (нерастворимыми), например, графит, платина, золото и др., и активными (растворимыми), если потенциал металла, из которого изготовлен электрод, меньше, чем потенциал других восстановителей в растворе.

Рассмотрим электродные реакции на примере электролиза расплава хлорида кальция. В расплаве хлорида кальция имеются ионы и. При пропускании тока через расплав начнется направленное движение ионов и на электродах будут протекать следующие реакции:

а) восстановление ионов до металлического кальция

(катодный процесс) – ;

б) окисление ионов до газообразного хлора (анодный процесс) –

.

Суммарная реакция: .

В рассмотренном примере в электролите находились один вид катионов и один вид анионов, поэтому схема электролиза была простая. Однако часто в электролите присутствуют несколько видов катионов и анионов. Например, в водных растворах солей кроме катионов и анионов соли всегда имеются ионы ,и молекулы воды, способные к электрохимическому окислению и восстановлению.

Рассмотрим последовательность электродных процессов.

На катоде в первую очередь будут восстанавливаться наиболее сильные окислители с большим положительным потенциалом.

1. Легко восстанавливаются катионы металлов, электродные потенциалы которых больше нуля: и др.

2. Не восстанавливаются из водных растворов катионы металлов, потенциал которых меньше, чем (– 0,8 В): и др., а восстанавливается вода или ионы водорода:

,	(рН  7);
,	(рН < 7).

3. При большой плотности тока из водных растворов восстанавливаются катионы металлов с потенциалом от – 0,8 до 0 В: и др.

На аноде в первую очередь будут окисляться наиболее сильные восстановители – вещества с наименьшим электродным потенциалом.

1. Легко окисляются анионы бескислородных кислот: I^–; Br^–; Cl^–; S^2– и др.

2. Не окисляются в водных растворах ионы кислородосодержащих кислот: и др., а идет окисление гидроксогрупп или воды:

,	(рН  7);
,	(рН ≤ 7).

3. В случае активного анода растворяется анод-металл: .

Электродные реакции окисления и восстановления, происходящие в двойном электрическом слое, называются первичными.

Вторичные реакции обусловлены взаимодействием продуктов первичных реакций друг с другом, с материалом электродов, со средой и не локализуются в двойном электрическом слое. Они могут быть ионными, окислительно-восстановительными и т.д.

Например, электролиз раствора нитрата калия будет происходить следующим образом:

катодный процесс		–	первичная реакция;
		–	вторичная реакция;
анодный процесс		–	первичная реакция;
		–	вторичная реакция;
продукты электролиза		–	первичные;
		–	вторичные.

Законы Фарадея. Между массой превращенного при электролизе вещества и количеством прошедшего через электролит количества электричества существует связь, которая находит отражение в двух законах Фарадея.

1-й закон Фарадея. Масса образующегося при электролизе вещества пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит:

, (16)

где	m	–	масса превращенного вещества, г;
	Q	–	количество электричества (Кл), равное произведению силы тока I (А) на время t (с);
	k	–	электрохимический эквивалент вещества =;
	Мэ	–	молярная масса элемента вещества, г/моль-э;
	F	–	постоянная Фарадея ≈ 96500Кл или 26,8 А∙ч.

Для определения количества выделяющихся при электролизе газов удобнее пользоваться эквивалентными объемами:

, (17)

где	V	–	объем выделяющегося газа, (л);
		–	эквивалентный объем (л/моль);
			=11,2 л/моль,	= 5,6 л/моль.

2-й закон Фарадея. При пропускании равного количества электричества через растворы разных электролитов масса каждого из веществ, претерпевающих превращение, пропорциональна молярным массам эквивалентов этих веществ:

m₁ : m₂ : m₃ = Мэ₁ : Мэ₂ : Мэ₃. (18)

Для превращения одного моль-эквивалента вещества требуется одно и то же количество электричества, называемое постоянной Фарадея F (96485 Кл/моль-экв). Пользуясь математическим выражением 1-го закона Фарадея можно производить различные расчеты в электрохимии. В частности, на законах Фарадея основана кулонометрия – измерение количества электричества, прошедшего через цепь. Использование кулонометров дает возможность определить долю полезно затраченного тока, (т. е. тока, израсходованного на получение продукта), которая характеризуется выходом по току.

Выход по току () – это отношение массы фактически полученного при электролизе вещества к теоретически рассчитанному

. (19)

Экспериментальная часть

Опыт 1. Электролиз раствора сульфата натрия.

Выполнение работы

Чистый электролизер заполните раствором сульфата натрия и опустите угольные электроды. Последние соедините с источником постоянного тока. В колено электролизера, где находится катод (–), налейте 1-2 капли лакмуса и в другое колено анод (+) – лакмус. Отметьте изменение окраски индикатора.

Напишите уравнения реакций, протекающих при электролизе раствора сульфата натрия. Объясните, почему и какие газы выделяются на катоде и аноде. На основании изменения окраски индикатора сделайте заключение о реакции раствора в прикатодном и прианодном пространстве. Какие вещества образовались в результате вторичных процессов?

Опыт 2. Электролиз раствора иодида калия.

Выполнение работы

Чистый электролизер заполните раствором иодида калия и соедините с источником тока по аналогии с выше разобранным опытом, объясните появление интенсивно-желтой окраски раствора в прианодном пространстве. В прикатодное пространство добавьте 1-2 капли фенолфталеина. Какую окраску наблюдаете? Какие вещества образовались в прикатодном пространстве? Напишите уравнения электродных процессов и общее уравнение электролиза в молекулярной форме.

Опыт 3. Электролиз раствора сульфата меди.

1. С инертным (нерастворимым) анодом.

Выполнение работы

Проводите электролиз раствора сульфата меди с угольными электродами в течение 5-7 минут. Какое вещество выделилось на катоде? Составьте уравнение электродных процессов. Какой газ выделяется на аноде?

2. С активным (растворимым) анодом.

Выполнение работы

Электрод с красным осадком меди предыдущего опыта присоедините к аноду (+), а второй электрод к катоду (–) и проводите электролиз того же раствора сульфата меди в течение 7-10 минут. По окончании опыта обратите внимание на изменение цвета электродов. Объясните исчезновение красного налета меди у анода и появление окраски на катоде. Напишите уравнения катодного и анодного процессов с активным (Cu) анодом. Сделайте вывод к работе.

Контрольные вопросы

1. Что называется процессом электролиза?

2. Какие реакции идут на катоде, на аноде?

3. Какие вещества будут выделяться на угольных электродах при электролизе растворов ?

4. Почему при электролизе раствора NaBr или HCl на аноде выделяются Br₂ и Cl₂, а не кислород, как это должно следовать из значений равновесных электродных потенциалов:

=1,06 В; =1,36 В;=1,23 В.

5. Через растворы ипропускали одно и то же количество электричества. На одном из катодов выделилось 25,9 г свинца. Сколько граммов никеля выделилось на другом катоде?

6. Написать уравнения реакций, протекающих на электродах при электролизе раствора:

а) сульфата никеля с никелевыми электродами;

б) нитрата серебра с серебряными электродами;

в) хлорида меди с медными электродами.

7. Что такое гальванопластика, гальваностегия?

8. Какие металлы можно получить только электролизом расплавов их солей?