1. Понятие электролиза

Элек­тро­лиз – это окис­ли­тель­но-вос­ста­но­ви­тель­ная ре­ак­ция, ко­то­рая про­те­ка­ет под дей­стви­ем элек­три­че­ско­го тока на элек­тро­дах, по­гру­жен­ных в рас­твор или рас­плав элек­тро­ли­та.

Су­ще­ству­ет два типа элек­тро­дов.

 Анод – это элек­трод, на ко­то­ром про­ис­хо­дит окис­ле­ние.

 Катод – это элек­трод, на ко­то­ром про­ис­хо­дит вос­ста­нов­ле­ние. К аноду стре­мят­ся ани­о­ны, так как он имеет по­ло­жи­тель­ный заряд. К ка­то­ду стре­мят­ся ка­ти­о­ны, по­то­му что он за­ря­жен от­ри­ца­тель­но и, со­глас­но за­ко­нам фи­зи­ки, раз­но­имен­ные за­ря­ды при­тя­ги­ва­ют­ся. В любом элек­тро­хи­ми­че­ском про­цес­се при­сут­ству­ют оба элек­тро­да. При­бор, в ко­то­ром осу­ществ­ля­ет­ся элек­тро­лиз, на­зы­ва­ет­ся элек­тро­ли­зер. Рис. 1.

Рис. 1 Элек­тро­ли­зер

2. Электролиз расплава

I. Про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие при элек­тро­ли­зе рас­пла­вов элек­тро­ли­тов

В рас­пла­вах элек­тро­ли­ты дис­со­ци­и­ру­ют на ионы. Это тер­ми­че­ская дис­со­ци­а­ция элек­тро­ли­тов. При про­пус­ка­нии элек­три­че­ско­го тока ка­ти­о­ны вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся на ка­то­де, так как при­ни­ма­ют от него элек­тро­ны. Ани­о­ны кис­лот­но­го остат­ка и гид­рок­сид-ани­о­ны окис­ля­ют­ся на ка­то­де, так как от­да­ют ему свои элек­тро­ны.

При­мер №1. Элек­тро­лиз рас­пла­ва хло­ри­да на­трия

При тер­ми­че­ской дис­со­ци­а­ции хло­ри­да на­трия об­ра­зу­ют­ся ионы на­трия и хлора.

Na Cl  →  Na⁺ +  Cl⁻

–  на ка­то­де вы­де­ля­ет­ся на­трий:

2 Na⁺ + 2 e⁻ → 2 Na

–  на аноде вы­де­ля­ет­ся хлор:

2 Cl⁻ − 2 e⁻ → Cl₂

– сум­мар­ное ион­ное урав­не­ние ре­ак­ции (урав­не­ние ка­тод­но­го про­цес­са по­мно­жи­ли на 2)

2 Na⁺ + 2 Cl⁻ → 2 Na⁰ + Cl⁰₂

–  сум­мар­ная ре­ак­ция:

2 NaCl 2 Na + Cl₂

При­мер №2. Элек­тро­лиз рас­пла­ва гид­рок­си­да калия

При  дис­со­ци­а­ции гид­рок­си­да калия об­ра­зу­ют­ся ионы калия и гид­рок­сид ионы.

КОН  →  К⁺ +  ОН⁻

–  на ка­то­де вы­де­ля­ет­ся калий:

К⁺ + 1 e⁻ →  К

–  на аноде вы­де­ля­ет­ся кис­ло­род и вода:

4ОН⁻ − 4 e⁻ → О₂ + 2Н₂О

–  сум­мар­ное ион­ное урав­не­ние ре­ак­ции (урав­не­ние ка­тод­но­го про­цес­са по­мно­жи­ли на 4)

4К⁺ + 4ОН⁻ → 4 К⁰ + О₂ + 2Н₂О

–  сум­мар­ная ре­ак­ция:

4КОН 4 К⁰ + О₂ + 2Н₂О

При­мер №3. Элек­тро­лиз рас­пла­ва суль­фа­та на­трия

При дис­со­ци­а­ции рас­пла­ва суль­фа­та на­трия об­ра­зу­ют­ся ионы на­трия и суль­фат-ио­ны.

Na₂SO₄  →  2Na⁺ + SО₄²⁻

– на ка­то­де вы­де­ля­ет­ся на­трий:

Na⁺ + 1 e⁻ →  Na

– на аноде вы­де­ля­ет­ся кис­ло­род  и оксид серы (VI):

2SО₄²⁻ − 4 e⁻ → 2SО₃ +О₂

–  сум­мар­ное ион­ное урав­не­ние ре­ак­ции (урав­не­ние ка­тод­но­го про­цес­са по­мно­жи­ли на 4)

4 Na⁺ + 2SО₄²⁻ → 4 Na ⁰ + 2SО₃ +О₂

– сум­мар­ная ре­ак­ция:

2 Na₂SO₄4 Na ⁰ + 2SО₃ +О₂

За­ко­но­мер­но­сти элек­тро­ли­за рас­пла­вов элек­тро­ли­та

1. При элек­тро­ли­зе рас­пла­вов ще­ло­чей и солей на ка­то­де оса­жда­ет­ся ме­талл.

2. Ани­о­ны бес­кис­ло­род­ных кис­лот окис­ля­ют­ся на аноде, давая со­от­вет­ству­ю­щее со­еди­не­ние, на­при­мер, хло­рид-ани­о­ны об­ра­зу­ют хлор.

3. Ани­о­ны кис­ло­род­со­дер­жа­щих кис­лот об­ра­зу­ют со­от­вет­ству­ю­щий оксид и кис­ло­род.

3. Электролиз раствора

II. Про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие при элек­тро­ли­зе рас­тво­ров элек­тро­ли­тов

При элек­тро­ли­зе рас­тво­ров элек­тро­ли­тов, кроме ин­те­ре­су­ю­щих нас со­еди­не­ний есть еще и вода, ко­то­рая также может под­вер­гать­ся элек­тро­ли­зу. По­это­му, ис­хо­дя из стро­е­ния со­еди­не­ния, элек­тро­лиз может про­те­кать либо с иона­ми соли, либо с водой.

Про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие на ка­то­де

1.  Ка­ти­о­ны ак­тив­ных ме­тал­лов, сто­я­щие в ряду на­пря­же­ний до алю­ми­ния, не раз­ря­жа­ют­ся на ка­то­де. См. рис. 2. В этом слу­чае про­ис­хо­дит толь­ко вос­ста­нов­ле­ние воды.

Рис. 2 Электрохимический ряд напряжений металлов

2Н₂О+2 e⁻ → Н₂ + 2ОН⁻

2.  Ка­ти­о­ны ме­тал­лов, рас­по­ло­жен­ных в ряду на­пря­же­ний от алю­ми­ния до во­до­ро­да, раз­ря­жа­ют­ся в той или иной сте­пе­ни од­но­вре­мен­но с мо­ле­ку­ла­ми воды. При этом од­но­вре­мен­но про­ис­хо­дят сле­ду­ю­щие про­цес­сы:

Meⁿ⁺+ne^- → Me

2Н₂О+2 e⁻ → Н₂ + 2ОН⁻

3.  При на­ли­чии в рас­тво­ре ка­ти­о­нов ме­тал­лов, рас­по­ло­жен­ных в ряду на­пря­же­ний после во­до­ро­да, на ка­то­де, пре­жде всего, про­ис­хо­дит вос­ста­нов­ле­ние ка­ти­о­нов этих ме­тал­лов. Meⁿ⁺+ne^- →Me

Про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие на аноде

Раз­ли­ча­ют два типа ано­дов: инерт­ный и ак­тив­ный. Инерт­ный анод – это анод, ма­те­ри­ал ко­то­ро­го не окис­ля­ет­ся в про­цес­се элек­тро­ли­за (Pt). Ак­тив­ный анод – это анод, ко­то­рый окис­ля­ет­ся в про­цес­се элек­тро­ли­за. На­при­мер, гра­фит.

Элек­тро­лиз с инерт­ным ано­дом

В анод­ном про­цес­се могут при­ни­мать уча­стие ани­о­ны неко­то­рых бес­кис­ло­род­ных кис­лот Cl^- ,Br^- ,I^-, S^2-и гид­рок­сид-ио­ны ОН ^-( раз­ря­жа­ют­ся толь­ко эти ани­о­ны), на­при­мер:

2Br^- - 2е^- →Br_2;  4ОН⁻ − 4 e⁻ → О₂ +2Н₂О (в ще­лоч­ной среде)

Если в рас­тво­ре при­сут­ству­ют ани­о­ны F^-,SO^2-₄, NO^-₃, PO₄^3-, CO₃^2- и неко­то­рые дру­гие, то окис­ле­нию под­вер­га­ет­ся толь­ко вода:

2Н₂О - 4 e⁻ → О₂ + 4Н⁺(в ней­траль­ной и кис­лой среде)

Элек­тро­лиз с ак­тив­ным ано­дом

В слу­чае с ак­тив­ным ано­дом, число кон­ку­ри­ру­ю­щих окис­ли­тель­ных про­цес­сов уве­ли­чи­ва­ет­ся до трех:

- Элек­тро­хи­ми­че­ское окис­ле­ние ма­те­ри­а­ла анода

- Окис­ле­ние воды с вы­де­ле­ни­ем кис­ло­ро­да

- Окис­ле­ние ани­о­нов рас­тво­рен­но­го со­еди­не­ния

На­пи­са­ние таких про­цес­сов рас­смат­ри­ва­ет­ся в выс­шей школе.

4. Примеры написания уравнений электролиза

При­ве­дем при­ме­ры элек­тро­ли­за рас­тво­ра неко­то­рых ве­ществ.

При­мер №1. Элек­тро­лиз рас­тво­ра хло­ри­да на­трия

При дис­со­ци­а­ции хло­ри­да на­трия об­ра­зу­ют­ся ионы на­трия и хлора.

Na Cl  →  Na⁺ +  Cl⁻

– Ка­тод­ный про­цесс:

2Н₂О+2 e⁻ → Н₂ + 2ОН⁻

– Анод­ный про­цесс:

2 Cl⁻ − 2 e⁻ → Cl₂

– сум­мар­ное ион­ное урав­не­ние ре­ак­ции

2Н₂О + 2 Cl⁻ → Н₂ + 2ОН⁻+ Cl⁰₂

– сум­мар­ная ре­ак­ция:

2Н₂О +2 NaCl 2NaОН + Cl₂↑ + Н₂↑

По этой ре­ак­ции по­лу­ча­ет­ся гид­рок­сид на­трия и хлор.

При­мер №2. Элек­тро­лиз рас­тво­ра суль­фа­та меди (II).

– на ка­то­де вы­де­ля­ет­ся медь:

Сu²⁺ + 2 e⁻ →  Cu⁰

–  на аноде вы­де­ля­ет­ся кис­ло­род  

2Н₂О - 4 e⁻ → О₂ + 4Н⁺

– сум­мар­ное ион­ное урав­не­ние ре­ак­ции (урав­не­ние ка­тод­но­го про­цес­са по­мно­жи­ли на 2)

2Сu²⁺ + 2Н₂О → 2 Cu⁰+ О₂ + 4Н⁺

–  сум­мар­ная ре­ак­ция:

2CuSO₄ + 2Н₂О  2Cu ⁰+О₂+ 2H₂SO₄

При­мер №3. Элек­тро­лиз рас­тво­ра нит­ра­та калия

При  дис­со­ци­а­ции нит­ра­та калия об­ра­зу­ют­ся ионы калия и нит­рат-ио­ны.

КNO₃ → К⁺ +  NО₃⁻

–  Ка­тод­ный про­цесс:

2Н₂О+2 e⁻ → Н₂ + 2ОН⁻

–  Анод­ный про­цесс:

2Н₂О - 4 e⁻ → О₂ + 4Н⁺

– сум­мар­ное ион­ное урав­не­ние ре­ак­ции (урав­не­ние ка­тод­но­го про­цес­са по­мно­жи­ли на 2)

2Н₂О  О₂ ↑+2Н₂↑

Это один из спо­со­бов по­лу­че­ния во­до­ро­да.

Элек­тро­лиз на­хо­дит при­ме­не­ние во мно­гих от­рас­лях про­мыш­лен­но­сти: хи­ми­че­ской, ме­тал­лур­гии, для из­го­тов­ле­ния де­та­лей тре­бу­е­мой формы, для элек­тро­хи­ми­че­ско­го по­кры­тия ме­тал­лов.

Под­ве­де­ние итога

 Была рас­смот­ре­на тема «Элек­тро­лиз» из школь­но­го курса химии 11 клас­са. В про­цес­се за­ня­тия  ана­ли­зи­ро­ва­лись про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие при элек­тро­ли­зе рас­пла­вов и рас­тво­ров элек­тро­ли­тов. Были даны опре­де­ле­ния про­цес­са элек­тро­ли­за, вве­де­но по­ня­тие о двух типах элек­тро­дов.