Лабораторная работа 8 электролиз

Цель работы: изучить понятие «электролиз», рассмотреть анодные и катодные процессы при электролизе растворов различных солей.

Задание: провести электролиз водных растворов солей. Выполнить требования к результатам опытов, оформить отчет, решить задачу.

Теоретическое введение

Электролизом называется совокупность процессов, протекающих при прохождении постоянного электрического тока через электрохимическую систему, состоящую из двух электродов и расплава или раствора электролита.

Если в раствор электролита погрузить электроды и подключить их к внешнему источнику постоянного тока, то ионы в растворе получают направленное движение. К аноду (положительному электроду) движутся анионы (кислотные остатки, OH⁻). К катоду (отрицательному электроду) движутся катионы (Мⁿ⁺, H⁺). Молекулы воды сильно полярны и поэтому могут притягиваться и к катоду и к аноду.

У анода восстановитель отдает электроны (в сеть) и окисляется. У катода окислитель присоединяет электроны (из сети) и восстанавливается.

На катоде в первую очередь восстанавливаются катионы, имеющие наибольшее значение электродного потенциала. Металлы, стоящие в начале ряда напряжения по алюминий включительно, на катоде из водных растворов не выделяются. В этом случае на катоде восстанавливаются молекулы воды:

2H₂O + 2 → H₂ + 2OH^‾ (φ = − 0,41 В)

В случае, когда катионы металлов расположены в ряду напряжений между алюминием и водородом, они могут восстанавливаться на катоде одновременно с молекулами воды.

Катионы металлов, которые в ряду напряжений находятся за водородом, при электролизе практически полностью восстанавливаются на катоде и выделяются в виде металла.

На аноде в первую очередь окисляются анионы с наименьшим значением электродного потенциала. Различают электролиз с нерастворимым (инертным) и растворимым (активным) анодами. Инертным называется анод, материал которого в ходе электролиза не окисляется (графит, платиновые металлы, титан). Активным называется анод, материал которого может окисляться в ходе электролиза.

На инертном аноде при электролизе растворов электролитов с кислородсодержащими анионами (SO₄²⁻, PO₄³⁻, NO₃^‾), а также фторид-ионами F‾ на аноде происходит электрохимическое окисление воды:

2H₂O − 4 → 4H⁺ + O₂

Если анионы электролита бескислородны (Cl^‾, Br^‾, I^‾, S²⁻), то они и разряжаются на аноде в ходе электролиза.

Активный (растворимый) анод при электролизе окисляется – переходит в раствор в виде ионов.

Рассмотрим несколько случаев электролиза водных растворов солей.

Э л е к т р о л и з р а с т в о р а CuCl₂ c и н е р т н ы м а н о д о м

Медь в ряду напряжений расположена после водорода, поэтому у катода будет происходить разряд ионов Cu²⁺ и выделение металлической меди. У анода будут окисляться хлорид-ионы.

Схема электролиза раствора хлорида меди (II)

CuCl₂ = Cu²⁺ + 2Cl^‾

Катод ← Cu²⁺, H₂O Анод ← Cl^‾, H₂O

Cu²⁺ + 2 → Cu⁰ 2Cl^‾ − 2 → Cl₂

Суммарное уравнение реакции, протекающей при электролизе, имеет вид:

CuCl₂ + H₂O → Cu + Cl₂.

Продукты электролиза – Cu и Cl₂.

Э л е к т р о л и з р а с т в о р а KNO₃ с и н е р т н ы м а н о д о м

Поскольку калий в ряду напряжений стоит значительно раньше водорода, то катионы K⁺ не будут восстанавливаться на катоде. Кислородсодержащие анионы NO₃^‾ не будут окисляться на аноде. В этом случае на катоде и аноде восстанавливаются и окисляются молекулы воды. При этом в катодном пространстве будут накапливаться ионы OH^‾, образующие с ионами K⁺ щелочь KOH, а в анодном пространстве накапливаются ионы H⁺, образующие с ионами NO₃^‾ кислоту HNO₃.

Схема электролиза нитрата калия

KNO₃ = K⁺ + NO₃^‾

Катод ← K⁺, H₂O Анод ← NO₃^‾, H₂O

2H₂O + 2 → H₂ + 2OH^‾ 2H₂O − 4 → O₂ + 4H⁺

У катода: 2K⁺ + 2OH^‾ → 2KOH У анода: 2H⁺ + 2NO₃^‾ → 2HNO₃

Суммарное уравнение реакции электролиза раствора KNO₃:

2KNO₃ + 4H₂O → 2H₂ + О₂ + 2КОН + 2HNO₃

Продукты электролиза – Н₂ и О₂. У катода образуется щелочь КОН

(рН > 7); у анода образуется кислота HNO₃ и рН < 7.

Э л е к т р о л и з р а с т в о р а NiSO₄ с н и к е л е в ы м а н о д о м

В этом случае сам анод окисляется, а на катоде восстанавливаются ионы никеля.

Схема электролиза сульфата никеля

Катод ← Ni²⁺, H₂O Анод никелевый ← SO₄^2-, H₂O

Ni²⁺ + 2 → Ni⁰ Ni⁰ – 2 → Ni²⁺