Электролиз - раздел Химия, Основные понятия и законы химии Электролизом Называется Процесс Раздельного Окисления И Восстановления На Эле...
Электролизом называется процесс раздельного окисления и восстановления на электродах, опущенных в раствор электролита, осуществляемый за счет протекания тока от внешнего источника ЭДС. При этом на аноде происходит окисление, а на катоде – восстановление и выделение металла. При электролизе расплавов электролитов на катоде всегда протекает восстановление катионов:
Меn++ ne= Ме0
На аноде – окисление соответствующих анионов:
Аnm—- me- = Аn0
Как правило, анодный процесс сопровождается вторичными химическими реакциями – рекомбинацией атомов в молекулы:
2Аn0=( Аn0)2
либо распадом нейтральной сложной частицы на два вещества, одно из которых является простым:
Например:
SО42- - 2 е → [SО40] → SО2 + О2
NO3- - е → [NO30] → NO + О2
Пример 1.Написать уравнения процессов, происходящих при электролизе расплава фторида алюминия AlF3 (материал катода – алюминий, материал анода – графит).
Решение:
В расплаве AlF3 диссоциирует согласно уравнению:
AlF3↔Al3++3F-
Под действием электрического поля катионы Al3+ движутся к катоду и принимают от него электроны:
Al3+ + 3е-→ Al0 – процесс восстановления.
Анионы F- движутся к аноду и отдают электроны:
F- - е-→ F 0 – процесс окисления,
2 F 0→ F2
Суммарная реакция:
Al3+ + 3е-→ Al0
2F- - 2е-→ F20
2 Al3+ + 6 F- →2 Al0 + 3 F20
или
электролизз
2 AlF3 2 Al0 + 3 F20
В растворах электролитов электролиз осложняется возможностью участия молекул растворителя (например, воды) в электродных процессах. Если система, в которой проводят электролиз, содержит разные окислители, то на катоде будет восстанавливаться наиболее активный из них, т.е., окисленная форма той электрохимической системы, которой отвечает наибольшее значение электродного потенциала.
В зависимости от состава электролита на катоде могут протекать (в том числе и параллельно) следующие реакции:
1) восстановление катионов металла:
Меn++ ne= Ме0
2) восстановление молекул воды:
2Н2О + 2 е →Н2 + 2 ОН-
Первая реакция исключительно протекает в растворах солей только тех металлов, которые в ряду напряжения находятся после водорода, то есть имеют больший, по сравнению с водородом электродный потенциал.
Вторая – только в растворах наиболее активных металлов, находящихся в начале ряда напряжений вплоть до алюминия. Их электродный потенциал значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной водной среде (-0,41 В). Для растворов солей металлов, имеющих электродный потенциал, близкий к -0,41 В, и составляющих середину ряда напряжений, характерно протекание обеих катодных реакций.
В растворах кислот на катоде протекает водородная реакция:
2Н+ + 2 е →Н2
Следует отметить, что в качестве катода можно использовать любой токопроводящий материал, кроме наиболее активных щелочных и щелочноземельных металлов. Большинство других металлов, а также графит, устойчиво в любых электролитах при катодном заряжении.
Аналогично, при наличии в системе, подвергающейся электролизу, нескольких восстановителей, на аноде будет окисляться наиболее активный из них, т.е. восстановленная форма той электрохимической системы, которая характеризуется наименьшим значением электродного потенциала. На аноде может протекать несколько окислительных процессов:
1) растворение материала анода (кроме платины и графита):
Ме0- ne= Меn+
2) окисление анионов соли или кислоты
Аnm—- me- = Аn0
2Аn0=( Аn0)2
3) окисление молекул воды:
2Н20 - 4 е- →О2 + 4 Н+
На нерастворимых анодах (платина, графит и некоторые металлы, образующие на своей поверхности защитную токопроводящую оксидную пленку, например, Pb в растворе Н2SО4 образует PbО2) конкурируют реакции 2 и 3. Для бескислородных кислот и их солей предпочтительнее реакция 2, например:
2Cl- - 2 е → Cl2
В растворах кислородных кислот и их солей, а также фторидов металлов протекает исключительно реакция окисления молекул воды.
В водных растворах щелочей на нерастворимых анодах протекает гидроксильная реакция:
4ОН- - 4е = 2Н2О + О2
Пример 2.Написать уравнения процессов, происходящих при электролизе раствора хлорида меди (анод – черновая медная пластина).
Решение.Если анод изготовлен из металла, способного окисляться в условиях электролиза, как в данном случае, ионы из раствора на аноде не окисляются.Медь окисляется на аноде (черновая медная пластина) с переходом ионов меди в раствор: Cu0-2e=Cu2+,а на катоде выделяется чистая медь из раствора: Cu2++ 2e= Cu0. Суммарного уравнения электролиза, как правило, в этом случае не пишут.
Пример 3.Написать уравнения процессов, происходящих при электролизе водного раствора сульфата натрия (анод платиновый).
Решение.Стандартный электродный потенциал системы
Na+ + е-→ Na0 (-2,71 В)
значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной водной среде (-0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода:
2Н20 + 2 е →Н2 + 2 ОН-
а ионы Na+, приходящие к катоду, будут накапливаться в прилегающей к нему части раствора (катодное пространство)
На аноде будет происходить электрохимическое окисление воды, сопровождающееся выделением кислорода
2Н20 - 4 е- →О2 + 4 Н+
поскольку отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (1,23В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (2,01 В), характеризующий систему
2SО42- → S2О82- + 2 е-
Ионы SО42-, движущиеся при электролизе к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве.
Умножая уравнение катодного процесса на два и складывая с уравнением анодного процесса, получаем суммарное уравнение процесса:
6Н20 → 2Н2↑ + 4ОН- + О2 + 4 Н+
Приняв во внимание, что одновременно происходит накопление ионов Na+ в катодном пространстве и ионов SО42- в анодном пространстве, суммарное уравнение процесса можно записать в следующей форме:
Таким образом, одновременно с выделением водорода и кислорода образуется гидроксид натрия (в катодном пространстве) и серная кислота (в анодном пространстве)
Количественно электролиз описывается двумя законами Фарадея:
1. Масса выделяющегося на электроде вещества пропорциональна количеству прошедшего электричества:
,
где Q – количество электричества (заряд); I – сила тока; t – время протекания тока.
Если Q=1Кл, то К=m. Масса вещества, выделяющаяся при прохождении 1 Кл электричества, называется электрохимическим эквивалентом.
2. Для выделения на электроде одного эквивалента любого вещества необходимо затратить одно и то же количество электричества, равное постоянной Фарадея F=96483 Кл/моль.
Обобщенное выражение законов Фарадея:
, (11.1)
где m –масса вещества, г; mЭ– эквивалентная масса вещества, г/моль; I – сила тока, А; t – продолжительность электролиза, с.
Пример 4.Какая масса меди выделится на катоде при электролизе раствора CuSO4 в течение 1 ч, если сила тока равна 4 А?
Решение.Воспользуемся формулой (11.1). Эквивалентная масса mЭ меди в CuSO4 равна 63,54:2=31,77 г/моль; t=60*60=3600 c.
Подставив в формулу численные значения, получим
Ответ: m=4,74 г.
Пример 5.Вычислите эквивалентную массу металла, зная, что при электролизе раствора хлорида этого металла затрачено 38600 Кл электричества и на катоде выделилось 11,742 г металла.
Российской Федерации... Федеральное государственное АВТОНОМНОЕобразовательное учреждение высшего профессионального образования...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Электролиз
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Контрольных работ по общей химии
Введение
Химия – одна из фундаментальных наук естествознания, формирующих естественно-научное мировоззрение будущих специалистов. Наличие пр
Й уровень
1-5. При взаимодействии m, г, n-валентного металла с серной кислотой выделилось V, мл, (н.у.) водорода. Рассчитайте эквивалентную и мольную массы металла, массу прореагирова
Й уровень
16-20. В нижеприведенной реакции определите факторы эквивалентности и эквивалентные массы исходных веществ. Для окислительно-восстановительных реакций найдите массу окислите
Й уровень
31-35. Какой объем (н.у.) вещества А образуется при взаимодействии N молекул вещества Б с кислородом:
Задачи
Состав атома
Атом – это мельчайшая, химически неделимая электронейтральная частица вещества. В центре атома находится ядро, состоящее из протонов р и нейтронов n. Вокруг ядра вращаются электроны
Строение электронных оболочек
Заполнение электронами энергетических уровней и подуровней происходит в соответствии с принципом минимальной энергии, правилами Гунда и Клечковского:
Геометрические и энергетические характеристики атомов
Атомный радиус.Атом не имеет строго определенных границ. За его радиус принимается расстояние от ядра до главного максимума плотности внешних электронных оболочек. С увеличением за
Химическая связь.
Под химической связью понимают результат взаимодействия двух и более атомов, приводящий к образованию устойчивой многоатомной системы.
Важнейшими видами химической связи являются: ковалент
Й уровень
41-45. Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером Z. К какому электронному семейству принадлежит этот элемент? Составьте уравнение β--
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Для прогнозирования физико-химических процессов очень важно заранее знать, возможна ли реакция между теми или иными веществами, приведенными в химический контакт. В случае, если реакция в данных ус
Термохимия
Термохимия изучает тепловые эффекты химических процессов. Протекание химических реакций всегда связано с выделением или поглощением теплоты. Химические реакции, в результате которых выделяется тепл
Химическое сродство
Чтобы понимать химические процессы и управлять ими, необходимо знать ответ на вопрос: каковы движущие силы и критерии самопроизвольных химических процессов. Одной из движущих сил химической реакции
Й уровень
91-95. Рассчитайте стандартный тепловой эффект реакции, предварительно подобрав коэффициенты в уравнении, и установите, является ли реакция экзо- или эндотермической. Станда
Й уровень
121-125. Вычислите количество теплоты, выделившееся при сгорании углеродсодержащего топлива А массой m, в котором также содержится негорючий компонент с массовой долей Сm
Химическая кинетика
Раздел химии, изучающий скорости и механизмы протекания реакций, называется химической кинетикой. При определении скоростей учитывается, что реакции могут быть гомогенными, то есть
Химическое равновесие
При некоторой температуре энтальпийный и энтропийный факторы уравниваются, две противоположные тенденции уравновешивают друг друга, т.е. ΔΗ = ΤΔS. В этом случае соблюдается усло
Решение.
1. Влияние концентраций (парциальных давлений) компонентов системы. Если, например, в систему добавить метан, т.е. увеличить его концентрацию, то равновесие системы нарушится. При этом ускор
Й уровень
161 – 165 Во сколько раз изменится скорость прямой гомогенной реакции, если концентрацию вещества А увеличить в X раз, а концентрацию вещества В умень
Й уровень
176-180. В гомогенной химической реакции установилось состояние равновесия с константой равновесия, равной k. Рассчитайте равновесные концентрации всех веществ
Й уровень
206-210.В какой массе воды нужно растворить 100 г вещества А, чтобы получить Х% по массе раствор? Какова молярность этого раствора, если его плотность равна ρ г/
Й уровень
221-225. Вычислите нормальность и титр раствора Н2С2О4·2Н2О, полученного растворением Х, г ее в Y, см3, воды. Плотность получ
Й уровень
236-240. При охлаждении 2,0 кг Х%-го по массе раствора соли А из него выкристаллизовалось m, г, соли. Вычислите массовую долю (%) соли в охлажденном растворе и его нормальную конце
Свойства растворов неэлектролитов
Разбавленные растворы неэлектролитов обладают рядом свойств, количественное выражение которых зависит от числа находящихся в растворе частиц растворенного вещества и от количества р
Й уровень
246-250. Для приготовления антифриза на V, л, воды было взято m, г, вещества А.Чему равна температура замерзания приготовленного антифриза?
Задачи
Й уровень
261-265. Какой объем вещества А плотностью r, кг/л, необходимо добавить на каждый литр воды , чтобы получить антифриз, замерзающий при температуре – 20°С?
Й уровень
276-280. При температуре 315 К давление насыщенного пара над водой равно 8,2 кПа (61,5 мм рт.ст.). На сколько понизится давление пара при указанной температуре, если в m, г,
Электролитическая диссоциация
Электролиты – вещества, расплавы или растворы в полярных растворителях которых проводят электрический ток. Причина этого явления состоит в том, что в данных условиях такие вещества
Произведение растворимости
Для практически нерастворимого продукта АВ, образующего твердую фазу, процесс его диссоциации характеризуется константой равновесия Кравн= =[А+]·[В-], в выражение к
Й уровень
286-290. найти изотонический коэффициент для раствора электролита с концентрацией растворенного вещества СМ, если известно, что в 1 дм3 этого раствора содержи
Й уровень
301. Раствор, содержащий 0,53 г карбоната натрия в 200 г воды, кристаллизуется при температуре – 0,13 ºC. Вычислить кажущуюся степень диссоциации Na2СO3.
Й уровень
311. Нужно приготовить раствор, содержащий в 1 дм3 0,5 моля NaCl, 0,16 моля КCl и 0,24 моля К2SO4. Как это сделать, имея в своем распоряжении тольк
Й уровень
321-325. Найти концентрацию ионов Н+ в растворах, в которых концентрация гидроксид-ионов составляет А:
Задачи
Й уровень
331. Рассчитать рН раствора, полученного смешением 25 см3 0,5М раствора НСl, 10 см3 0,5М раствора NaOΗ и 15 см3воды.
332
ИОНООБМЕННЫЕ РЕАКЦИИ. ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ
При взаимодействии растворов электролитов реакции происходят между ионами растворенных веществ. Химический процесс можно записать в молекулярной и ионно-молекулярной формах. Однако ионная форма отр
Й уровень
336-340. Записать в молекулярной и ионно-молекулярной формах уравнения реакций между веществами А и Б, приводящих к образованию малорастворимых осадков или газов:
Й уровень
356-360. Составьте уравнения гидролиза солей А и Б в молекулярной и ионно-молекулярной формах и укажите, как изменится (уменьшится или увеличится) степень гидролиза этой сол
Й уровень
371-375. Записать в молекулярной и ионно-молекулярной формах уравнения реакций между водными растворами следующих веществ:
Задачи
КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Молекулярные соединения, образующие комплексные ионы, способные к существованию как в растворе, так и в кристалле, называются комплексными. Строение комплексных соединений объясняет координационная
Й уровень
386-390. Составить выражение для константы нестойкости комплексного иона А и определить в нем степень окисления иона – комплексообразователя:
Задачи
Й уровень
391-395. Составить координационную формулу комплексной соли с названием А и написать для нее уравнения первичной и вторичной диссоциации:
Задачи
Й уровень
396-400. Составить уравнения первичной и вторичной диссоциации комплексного соединения А. Написать в молекулярной и ионно-молекулярной формах уравнения обменных реакций, происходящ
ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ
Окислительно-восстановительными называются реакции, которые сопровождаются изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ. Степень окисления – это условн
Й уровень
401-405. Исходя из степени окисления элемента А в соединениях Б, В, Г, определите, какое из них может быть только окислителем, только восстановителем или может проявлять оки
Й уровень
416-420.Составьте электронные уравнения окисления или восстановления элемента
Й уровень
431-435. На основе сравнения стандартных окислительно-восстановительных потенциалов окислителей в левой и правой частях уравнения определить направление окислительно-восстан
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Самопроизвольно протекающие окислительно-восстановительные реакции при пространственном разделении процессов окисления и восстановления могут создавать электрическую энергию вследствие уменьшения с
Гальванический элемент
Гальванический элемент – это устройство, способное преобразовывать свободную энергию Гиббса окислительно-восстановительной реакции в электрическую.
Элемент состоит из двух
Й уровень
441-445. Дана схема гальванического элемента. Напишите электронные уравнения электродных процессов и уравнение токообразующей реакции, протекающих в этом элементе:
Уровень
471-475. Дана схема гальванического элемента. Напишите электронные уравнения электродных процессов и уравнение токообразующей реакции, протекающих в этом элементе. Рассчитай
Й уровень
501-505. Дана схема гальванического элемента. Напишите электронные уравнения электродных процессов и уравнение токообразующей реакции, протекающих в этом элементе. Рассчитайте
Al3+ + 3е-→ Al0
2 Al3+ + 6 F- →2 Al0 + 3 F20
2 AlF3 2 Al0 + 3 F20
Приняв во внимание, что одновременно происходит накопление ионов Na+ в катодном пространстве и ионов SО42- в анодном пространстве, суммарное уравнение процесса можно записать в следующей форме:
6Н20 + 2 Na2SО4 → 2Н2↑ + 4 Na+ + 4ОН- + О2 + 4 Н+ + 2SО42-
Таким образом, одновременно с выделением водорода и кислорода образуется гидроксид натрия (в катодном пространстве) и серная кислота (в анодном пространстве)
,
, (11.1)
,
Новости и инфо для студентов