Téma 6. "Elektrolýza roztokov a tavenín solí"
1. Elektrolýza je redoxný proces, ktorý sa vyskytuje na elektródach, keď elektrický prúd prechádza roztokom elektrolytu alebo taveninou.
2. Katóda - záporne nabitá elektróda. Dochádza k redukcii kovových a vodíkových katiónov (v kyselinách) alebo molekúl vody.
3. Anóda - kladne nabitá elektróda. Dochádza k oxidácii aniónov zvyšku kyseliny a hydroxylovej skupiny (v zásadách).
4. Počas elektrolýzy soľného roztoku je v reakčnej zmesi prítomná voda. Keďže voda môže vykazovať oxidačné aj redukčné vlastnosti, je „konkurentom“ pre katódové aj anodické procesy.
5. Existuje elektrolýza s inertnými elektródami (grafit, uhlík, platina) a aktívnou anódou (rozpustná), ako aj elektrolýza tavenín a roztokov elektrolytov.
KATÓDOVÉ PROCESY
Ak je kov v sérii napätí:
Poloha kovu v sérii napätí
Regenerácia na katóde
z Li do Al
Molekuly vody sa redukujú: 2H2O + 2e- → H20+ 2OH-
Mn až Pb
Obnovujú sa molekuly vody aj katióny kovov:
2H2O + 2e- → H20+ 2OH-
Muži+ + ne- → Ja0
z Cu do Au
Katióny kovov sú redukované: Men+ + ne- → Me0
ANODICKÉ PROCESY
zvyšok kyseliny
asm-
anóda
Rozpustný
(železo, zinok, meď, striebro)
Nerozpustný
(grafit, zlato, platina)
anoxický
Anódová oxidácia kovu
М0 – ne- = Mn+
anódový roztok
Oxidácia aniónov (okrem F-)
Acm- - me- = Ac0
Obsahujúce kyslík
Fluoridový ión (F-)
V kyslom a neutrálnom prostredí:
2 H20 - 4e- -> 020 + 4H+
V alkalickom prostredí:
4OH- - 4e- \u003d 020 + 2H20
Príklady procesov elektrolýzy taveniny s inertnými elektródami
V tavenine elektrolytu sú prítomné iba jeho ióny, preto sa katióny elektrolytu redukujú na katóde a anióny sa oxidujú na anóde.
1. Uvažujme o elektrolýze taveniny chloridu draselného.
Tepelná disociácia KCl → K+ + Cl-
K(-) K++ + 1e- → K0
A (+) 2Cl- - 2e- -> Cl02
Súhrnná rovnica:
2KCI -> 2K0 + Cl20
2. Zvážte elektrolýzu taveniny chloridu vápenatého.
Tepelná disociácia CaCl2 → Ca2+ + 2Cl-
K(-) Ca2+ + 2e- → Ca0
A (+) 2Cl- - 2e- -> Cl02
Súhrnná rovnica:
CaCl2 -> Ca0 + Cl20
3. Uvažujme o elektrolýze taveniny hydroxidu draselného.
Tepelná disociácia KOH → K+ + OH-
K(-) K++ + 1e- → K0
A (+) 4OH- - 4e- -> 020 + 2H20
Súhrnná rovnica:
4KOH -> 4K0 + 020 + 2H20
Príklady procesov elektrolýzy roztokov elektrolytov s inertnými elektródami
Na rozdiel od tavenín sú v roztoku elektrolytu okrem jeho iónov aj molekuly vody. Preto pri zvažovaní procesov na elektródach je potrebné vziať do úvahy ich účasť. Elektrolýza roztoku soli tvoreného aktívnym kovom, stojacim v sérii napätí až po hliník a kyslý zvyšok kyseliny obsahujúcej kyslík, sa redukuje na elektrolýzu vody. 1. Zvážte elektrolýzu vodného roztoku síranu horečnatého. MgS04 je soľ, ktorá je tvorená kovom stojacim v sérii namáhaní až po hliník a kyslý zvyšok obsahujúci kyslík. Disociačná rovnica: MgSO4 → Mg2+ + SO42- K (-) 2H2O + 2e- \u003d H20 + 2OH- A (+) 2H2O - 4e- \u003d O20 + 4H + Celková rovnica: 6H2O \u003d 2H-20 + O20 + 4H + 2H2O \u003d 2H20 + O20 2. Zvážte elektrolýzu vodného roztoku síranu meďnatého. СuSO4 je soľ tvorená nízkoaktívnym kovom a kyslým zvyškom obsahujúcim kyslík. V tomto prípade elektrolýzou vzniká kov, kyslík a v priestore katóda-anóda vzniká zodpovedajúca kyselina. Disociačná rovnica: CuSO4 → Cu2+ + SO42- K (-) Cu2+ + 2e- = Cu0 A (+) 2H2O – 4e- = O20 + 4H+ Súhrnná rovnica: 2Cu2+ + 2H2O = 2Cu0 + O20 + 4H+ 2CuSO04 + 2H0 + 2CuSO04 + 2H0 + 2H2SO4
3. Zvážte elektrolýzu vodného roztoku chloridu vápenatého. CaCl2 je soľ, ktorá je tvorená aktívnym kovom a zvyškom kyseliny bez obsahu kyslíka. V tomto prípade pri elektrolýze vzniká vodík, halogén a v priestore katóda-anóda sa tvorí zásada. Disociačná rovnica: CaCl2 → Ca2+ + 2Cl- K (-) 2H2O + 2e- = H20 + 2OH- A (+) 2Cl- – 2e- = Cl20 Súhrnná rovnica: 2H2O + 2Cl- = Cl20 + 2OH- CaCl2 + 2H2O = Ca (OH)2 + Cl20 + H20 4. Uvažujme elektrolýzu vodného roztoku chloridu meďnatého. CuCl2 je soľ, ktorá je tvorená nízkoaktívnym kovom a kyslým zvyškom kyseliny bez kyslíka. V tomto prípade sa vytvorí kov a halogén. Disociačná rovnica: CuCl2 → Cu2+ + 2Cl- K (-) Cu2+ + 2e- = Cu0 A (+) 2Cl- – 2e- = Cl20 Súhrnná rovnica: Cu2+ + 2Cl- = Cu0 + Cl20 CuCl2 = Cu0 + Cl20 5. Uvažujme procesná elektrolýza roztoku octanu sodného. CH3COOHa je soľ tvorená aktívnym kovom a kyslým zvyškom karboxylovej kyseliny. Elektrolýzou vzniká vodík a alkálie. Disociačná rovnica: CH3COONa → CH3COO - + Na+ K (-) 2H2O + 2e- = H20 + 2OH- A (+) 2CH3COO¯- 2e = C2H6 + 2CO2 Súhrnná rovnica: 2H2O + 2CH3COO¯ = H20 + 2OH - + C2H6OH - + + 2CO2 2Н2О + 2CH3COONa = 2NaОH + Н20 + C2H6 + 2CO2 6. Zvážte proces elektrolýzy roztoku dusičnanu nikelnatého. Ni(NO3)2 je soľ, ktorá je tvorená kovom v rozsahu napätia od Mn do H2 a zvyškom kyseliny s obsahom kyslíka. V procese získame kov, vodík, kyslík a kyselinu. Disociačná rovnica: Ni(NO3)2 → Ni2+ + 2NO3- K (-) Ni2+ +2e- = Ni0 2H2O + 2e- = H20 + 2OH- A (+) 2H2O – 4e- = O20 + 4H+ Celková rovnica: Ni2+ + 2H2O + 2H2O = Ni0 + H20 + 2OH- + O20 + 4H+ Ni(NO3)2 + 2H2O = Ni0 + 2HNO3 + H20 + O20 7. Uvažujme proces elektrolýzy roztoku kyseliny sírovej. Disociačná rovnica: H2SO4 → 2H+ + SO42- K (-) 2H+ + 2e- = H20 A (+) 2H2O – 4e- = O20 + 4H+ Celková rovnica: 2H2O + 4H+ = 2H20 + O20 + 4H+ 2H20 + O20 = 2H20
8. Zvážte proces elektrolýzy roztoku hydroxidu sodného. V tomto prípade prebieha iba elektrolýza vody. Podobne prebieha elektrolýza roztokov H2SO4, NaNO3, K2SO4 atď.. Disociačná rovnica: NaOH → Na+ + OH- K (-) 2H2O + 2e- = H20 + 2OH- A (+) 4OH- – 4e- = O20 + 2H2O Celková rovnica: 4H2O + 4OH- = 2H20 + 4OH- + O20 + 2H2O 2H2O = 2H20 + O20
Príklady procesov elektrolýzy roztokov elektrolytov s rozpustnými elektródami
Rozpustná anóda podlieha oxidácii (rozpúšťaniu) počas elektrolýzy. 1. Zvážte proces elektrolýzy síranu meďnatého (II) s medenou anódou. Pri elektrolýze roztoku síranu meďnatého medenou anódou sa proces redukuje na uvoľňovanie medi na katóde a postupné rozpúšťanie anódy, napriek povahe aniónu. Množstvo síranu meďnatého v roztoku zostáva nezmenené. Disociačná rovnica: CuSO4 → Cu2+ + SO42- K (-) Cu2+ +2e- → Cu0 A (+) Cu0 - 2e- → Cu2+ prechod iónov medi z anódy na katódu
Príklady úloh na túto tému v možnostiach USE
O 3. (Var.5)
Stanovte zhodu medzi vzorcom látky a produktmi elektrolýzy jej vodného roztoku na inertných elektródach.
VZOR LÁTKY PRODUKTY ELEKTROlýzy
A) Al2(SO4)3 1. hydroxid kovu, kys
B) СsOH 2. kov, halogén
C) Hg(NO3)2 3. kov, kyslík
D) AuBr3 4. vodík, halogén 5. vodík, kyslík 6. kov, kyselina, kyslík Argument: 1. Pri elektrolýze Al2(SO4)3 a СsOH na katóde sa voda redukuje na vodík. Vylučujeme možnosti 1, 2, 3 a 6. 2. Pre Al2(SO4)3 sa voda na anóde oxiduje na kyslík. Vyberieme možnosť 5. Pre CsOH sa hydroxidový ión na anóde oxiduje na kyslík. Vyberieme možnosť 5. 3. Pri elektrolýze Hg(NO3)2 a АuBr3 na katóde dochádza k redukcii katiónov kovov. 4. Pre Hg(NO3)2 sa na anóde oxiduje voda. Dusičnanové ióny sa v roztoku viažu s vodíkovými katiónmi, pričom v anódovom priestore vytvárajú kyselinu dusičnú. Vyberieme možnosť 6. 5. Pre АuBr3 sa Br- anión oxiduje na anóde na Br2. Vyberáme možnosť 2.
A
B
V
G
5
5
6
2
O 3. (Var.1)
Vytvorte súlad medzi názvom látky a spôsobom jej získania.
NÁZOV LÁTKY VÝROBY ELEKTROLÝZOU A) lítium 1) roztok LiF B) fluór 2) tavenina LiF C) striebro 3) roztok MgCl2 D) horčík 4) roztok AgNO3 5) tavenina Ag2O 6) tavenina MgCl2 Argument: 1. Podobne ako pri elektrolýza taveniny chloridu sodného, prebieha proces elektrolýzy taveniny fluoridu lítneho. Pre možnosti A a B zvoľte odpovede 2. 2. Striebro možno obnoviť z roztoku jeho soli – dusičnanu strieborného. 3. Horčík nie je možné obnoviť zo soľného roztoku. Vyberáme možnosť 6 - taveninu chloridu horečnatého.
A
B
V
G
2
2
4
6
O 3. (var. 9)
Stanovte zhodu medzi vzorcom soli a rovnicou procesu prebiehajúceho na katóde počas elektrolýzy jej vodného roztoku.
ROVNICE SOĽNÉHO VZORCA KATODOVÉHO PROCESU
A) Al(NO3)3 1) 2H2O – 4e- → O2 + 4H+
B) CuCl2 2) 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
C) SbCl3 3) Cu2+ + 1e- → Cu+
D) Cu(NO3)2 4) Sb3+ - 2 e- → Sb5+ 5) Sb3+ + 3e- → Sb0
6) Cu2+ + 2e- → Cu0
Priebeh úvahy: 1. Na katóde prebiehajú procesy redukcie katiónov kovov alebo vody. Preto okamžite vylúčime možnosti 1 a 4. 2. Pre Al(NO3)3: na katóde prebieha proces redukcie vody. Vyberte možnosť 2. 3. Pre CuCl2: Cu2+ kovové katióny sú redukované. Zvoľte možnosť 6. 4. Pre SbCl3: Sb3+ kovové katióny sú redukované. Zvoľte možnosť 5. 5. Pre Cu(NO3)2: Cu2+ kovové katióny sú redukované. Vyberáme možnosť 6.
A
B
V
G
2
Vytvorte súlad medzi vzorcom soli a produktom vytvoreným na inertnej anóde počas elektrolýzy jej vodného roztoku: pre každú polohu označenú písmenom vyberte zodpovedajúcu polohu označenú číslom.
| SOĽNÝ FORMULÁR | PRODUKT NA ANÓDE | |
| A | B | V | G |
Riešenie.
Pri elektrolýze vodných roztokov solí, zásad a kyselín na inertnej anóde:
Voda sa vypúšťa a kyslík sa uvoľňuje, ak ide o soľ kyseliny obsahujúcej kyslík alebo soľ kyseliny fluorovodíkovej;
Hydroxidové ióny sa vybíjajú a kyslík sa uvoľňuje, ak je alkalický;
Zvyšky kyseliny, ktoré sú súčasťou soli, sa vypustia a uvoľní sa zodpovedajúca jednoduchá látka, ak ide o soľ kyseliny bez kyslíka (okrem).
Proces elektrolýzy solí karboxylových kyselín prebieha špeciálnym spôsobom.
Odpoveď: 3534.
Odpoveď: 3534
Zdroj: Yandex: USE tréningová práca v chémii. Možnosť 1.
Vytvorte súlad medzi vzorcom látky a produktom vytvoreným na katóde počas elektrolýzy jej vodného roztoku: pre každú polohu označenú písmenom vyberte zodpovedajúcu polohu označenú číslom.
| LÁTKA | PRODUKT ELEKTROLYZY, VYROBENÉ NA KATODE |
|
Ako odpoveď si zapíšte čísla a zoraďte ich v poradí zodpovedajúcom písmenám:
| A | B | V | G |
Riešenie.
Počas elektrolýzy vodných roztokov solí sa na katóde uvoľňuje:
Vodík, ak je to soľ kovu, ktorý je v rade kovových napätí vľavo od hliníka;
Kov, ak je to soľ kovu, ktorý je v sérii kovových napätí napravo od vodíka;
Kov a vodík, ak ide o soľ kovu v sérii kovových napätí medzi hliníkom a vodíkom.
Odpoveď: 3511.
Odpoveď: 3511
Zdroj: Yandex: USE tréningová práca v chémii. Možnosť 2.
Vytvorte súlad medzi vzorcom soli a produktom vytvoreným na inertnej anóde počas elektrolýzy jej vodného roztoku: pre každú polohu označenú písmenom vyberte zodpovedajúcu polohu označenú číslom.
| SOĽNÝ FORMULÁR | PRODUKT NA ANÓDE | |
Ako odpoveď si zapíšte čísla a zoraďte ich v poradí zodpovedajúcom písmenám:
| A | B | V | G |
Riešenie.
Pri elektrolýze vodných roztokov solí kyselín obsahujúcich kyslík a fluoridov dochádza k oxidácii kyslíka z vody, preto sa kyslík uvoľňuje na anóde. Pri elektrolýze vodných roztokov anoxických kyselín sa kyslý zvyšok oxiduje.
Odpoveď: 4436.
Odpoveď: 4436
Vytvorte súlad medzi vzorcom látky a produktom, ktorý vzniká na inertnej anóde v dôsledku elektrolýzy vodného roztoku tejto látky: pre každú polohu označenú písmenom vyberte zodpovedajúcu polohu označenú číslom.
| LÁTKA | PRODUKT NA ANÓDE |
2) oxid sírový (IV) 3) oxid uhoľnatý (IV) 5) kyslík 6) oxid dusnatý (IV) |
Ako odpoveď si zapíšte čísla a zoraďte ich v poradí zodpovedajúcom písmenám:
| A | B | V | G |
Čo je elektrolýza? Pre jednoduchšie pochopenie odpovede na túto otázku si predstavme akýkoľvek zdroj jednosmerného prúdu. Pre každý zdroj jednosmerného prúdu môžete vždy nájsť kladný a záporný pól:
Pripojme k nemu dve chemicky odolné elektricky vodivé dosky, ktoré budeme nazývať elektródy. Doska spojená s kladným pólom sa nazýva anóda a so záporným pólom sa nazýva katóda:
Chlorid sodný je elektrolyt; keď sa topí, disociuje sa na sodné katióny a chloridové ióny:
NaCl \u003d Na + + Cl -
Je zrejmé, že záporne nabité anióny chlóru pôjdu na kladne nabitú elektródu - anódu a kladne nabité katióny Na + na záporne nabitú elektródu - katódu. V dôsledku toho sa vybijú katióny Na + aj anióny Cl -, to znamená, že sa stanú neutrálnymi atómami. K výboju dochádza akvizíciou elektrónov v prípade iónov Na + a stratou elektrónov v prípade iónov Cl −. To znamená, že proces prebieha na katóde:
Na + + 1e − = Na 0,
A na anóde:
Cl − − 1e − = Cl
Pretože každý atóm chlóru má nepárový elektrón, ich jediná existencia je nepriaznivá a atómy chlóru sa spájajú do molekuly dvoch atómov chlóru:
Сl∙ + ∙Cl \u003d Cl 2
Celkovo je teda proces vyskytujúci sa na anóde správnejšie napísaný takto:
2Cl-2e- = Cl2
To znamená, že máme:
Katóda: Na + + 1e − = Na 0
Anóda: 2Cl - - 2e - = Cl2
Zhrňme si elektronickú bilanciu:
Na + + 1e − = Na 0 |∙2
2Cl − − 2e − = Cl 2 |∙1<
Pridajte ľavú a pravú stranu oboch rovníc polovičné reakcie, dostaneme:
2Na + + 2e − + 2Cl − − 2e − = 2Na 0 + Cl 2
Redukujeme dva elektróny rovnakým spôsobom, ako sa to robí v algebre, dostaneme iónovú rovnicu elektrolýzy:
2NaCl (1.) => 2Na + Cl 2
Z teoretického hľadiska je vyššie uvedený prípad najjednoduchší, pretože v tavenine chloridu sodného boli medzi kladne nabitými iónmi iba ióny sodíka a medzi zápornými iba anióny chlóru.
Inými slovami, ani Na + katióny, ani Cl − anióny nemali „konkurentov“ pre katódu a anódu.
A čo sa stane napríklad, ak namiesto taveniny chloridu sodného prejde jeho vodným roztokom prúd? V tomto prípade je tiež pozorovaná disociácia chloridu sodného, ale tvorba kovového sodíka vo vodnom roztoku je nemožná. Veď vieme, že sodík, zástupca alkalických kovov, je mimoriadne aktívny kov, ktorý veľmi búrlivo reaguje s vodou. Ak za takýchto podmienok nie je možné redukovať sodík, čo sa potom zníži na katóde?
Spomeňme si na štruktúru molekuly vody. Je to dipól, to znamená, že má záporný a kladný pól:
Vďaka tejto vlastnosti je schopný „prilepiť“ povrch katódy aj povrch anódy:
Môžu prebiehať nasledujúce procesy:
2H20 + 2e - \u003d 2OH - + H2
2H20 - 4e - \u003d 02 + 4H+
Ukazuje sa teda, že ak vezmeme do úvahy roztok akéhokoľvek elektrolytu, uvidíme, že katióny a anióny vznikajúce pri disociácii elektrolytu súťažia s molekulami vody o redukciu na katóde a oxidáciu na anóde.
Aké procesy teda budú prebiehať na katóde a na anóde? Vybíjanie iónov vznikajúcich pri disociácii elektrolytu alebo oxidácii/redukcii molekúl vody? Alebo možno všetky tieto procesy prebehnú súčasne?
V závislosti od typu elektrolytu sú možné rôzne situácie počas elektrolýzy jeho vodného roztoku. Napríklad katióny alkalických kovov, kovov alkalických zemín, hliníka a horčíka sa vo vodnom prostredí jednoducho redukovať nedajú, pretože ich redukciou by mali byť alkalické kovy, kovy alkalických zemín, hliník alebo horčík, t.j. kovy, ktoré reagujú s vodou.
V tomto prípade je možná len redukcia molekúl vody na katóde.
Je možné si zapamätať, aký proces bude prebiehať na katóde počas elektrolýzy roztoku akéhokoľvek elektrolytu, a to podľa nasledujúcich zásad:
1) Ak elektrolyt pozostáva z kovového katiónu, ktorý vo voľnom stave za normálnych podmienok reaguje s vodou, prebieha na katóde tento proces:
2H20 + 2e - \u003d 2OH - + H2
Týka sa to kovov, ktoré sú na začiatku série aktivity Al vrátane.
2) Ak elektrolyt pozostáva z kovového katiónu, ktorý vo voľnej forme nereaguje s vodou, ale reaguje s neoxidačnými kyselinami, prebiehajú naraz dva procesy, a to ako redukcia katiónov kovov, tak aj molekúl vody:
Me n+ + ne = Me 0
Tieto kovy zahŕňajú kovy medzi Al a H v sérii aktivít.
3) Ak elektrolyt pozostáva z vodíkových katiónov (kyselín) alebo katiónov kovov, ktoré nereagujú s neoxidačnými kyselinami, obnovia sa iba katióny elektrolytu:
2H + + 2e - \u003d H2 - v prípade kyseliny
Me n + + ne = Me 0 - v prípade soli
Na anóde je medzitým situácia nasledovná:
1) Ak elektrolyt obsahuje anióny bezkyslíkatých zvyškov kyselín (okrem F -), tak proces ich oxidácie prebieha na anóde, molekuly vody nie sú oxidované. Napríklad:
2Cl - - 2e \u003d Cl 2
S 2- − 2e = S o
Fluoridové ióny sa na anóde neoxidujú, pretože fluór nie je schopný tvoriť vo vodnom roztoku (reaguje s vodou)
2) Ak elektrolyt obsahuje hydroxidové ióny (alkálie), oxidujú sa namiesto molekúl vody:
4OH - - 4e - \u003d 2H20 + O2
3) Ak elektrolyt obsahuje na anóde zvyšok kyseliny s obsahom kyslíka (okrem zvyškov organických kyselín) alebo fluoridový ión (F -), prebieha proces oxidácie molekúl vody:
2H20 - 4e - \u003d 02 + 4H+
4) V prípade kyslého zvyšku karboxylovej kyseliny na anóde prebieha nasledujúci proces:
2RCOO - - 2e - \u003d R-R + 2CO 2
Precvičme si písanie rovníc elektrolýzy pre rôzne situácie:
Príklad č. 1
Napíšte rovnice pre procesy prebiehajúce na katóde a anóde počas elektrolýzy taveniny chloridu zinočnatého, ako aj všeobecnú rovnicu elektrolýzy.
Riešenie
Keď sa chlorid zinočnatý roztopí, disociuje:
ZnCl 2 \u003d Zn 2+ + 2Cl -
Ďalej je potrebné venovať pozornosť skutočnosti, že je to tavenina chloridu zinočnatého, ktorá podlieha elektrolýze, a nie vodný roztok. Inými slovami, bez možnosti môže nastať iba redukcia katiónov zinku na katóde a oxidácia chloridových iónov na anóde. žiadne molekuly vody
Katóda: Zn 2+ + 2e − = Zn 0 |∙1
Anóda: 2Cl − − 2e − = Cl 2 |∙1
ZnCl2 \u003d Zn + Cl2
Príklad č. 2
Napíšte rovnice pre procesy prebiehajúce na katóde a anóde počas elektrolýzy vodného roztoku chloridu zinočnatého, ako aj všeobecnú rovnicu elektrolýzy.
Pretože v tomto prípade je vodný roztok podrobený elektrolýze, teoreticky sa molekuly vody môžu zúčastniť elektrolýzy. Keďže zinok sa nachádza v sérii aktivít medzi Al a H, znamená to, že na katóde dôjde k redukcii katiónov zinku aj molekúl vody.
2H20 + 2e - \u003d 2OH - + H2
Zn 2+ + 2e − = Zn 0
Chloridový ión je kyslý zvyšok bezkyslíkatej kyseliny HCl, preto v súťaži o oxidáciu na anóde „vyhrávajú“ chloridové ióny nad molekulami vody:
2Cl-2e- = Cl2
V tomto konkrétnom prípade nie je možné napísať celkovú rovnicu elektrolýzy, pretože pomer medzi vodíkom a zinkom uvoľneným na katóde nie je známy.
Príklad č. 3
Napíšte rovnice pre procesy prebiehajúce na katóde a anóde počas elektrolýzy vodného roztoku dusičnanu meďnatého, ako aj všeobecnú rovnicu elektrolýzy.
Dusičnan meďnatý v roztoku je v disociovanom stave:
Cu(NO 3) 2 \u003d Cu 2+ + 2NO 3 -
Meď je v sérii aktivít napravo od vodíka, to znamená, že katióny medi budú na katóde redukované:
Cu 2+ + 2e − = Cu 0
Dusičnanový ión NO 3 - je kyslý zvyšok obsahujúci kyslík, čo znamená, že pri oxidácii na anóde dusičnanové ióny „strácajú“ v konkurencii s molekulami vody:
2H20 - 4e - \u003d 02 + 4H+
Touto cestou:
Katóda: Cu 2+ + 2e − = Cu 0 |∙2
2Cu2+ + 2H20 = 2Cu0 + 02 + 4H+
Rovnica získaná ako výsledok sčítania je iónová rovnica elektrolýzy. Ak chcete získať úplnú rovnicu molekulárnej elektrolýzy, musíte pridať 4 dusičnanové ióny na ľavú a pravú stranu výslednej iónovej rovnice ako protiióny. Potom dostaneme:
2Cu(N03)2 + 2H20 = 2Cu0 + O2 + 4HN03
Príklad č. 4
Napíšte rovnice pre procesy prebiehajúce na katóde a anóde počas elektrolýzy vodného roztoku octanu draselného, ako aj všeobecnú rovnicu elektrolýzy.
Riešenie:
Octan draselný vo vodnom roztoku disociuje na draselné katióny a acetátové ióny:
CH 3 COOK \u003d CH 3 COO − + K +
Draslík je alkalický kov, t.j. je v elektrochemickom rade napätí na samom začiatku. To znamená, že jeho katióny sa nemôžu vybiť na katóde. Namiesto toho sa obnovia molekuly vody:
2H20 + 2e - \u003d 2OH - + H2
Ako je uvedené vyššie, kyslé zvyšky karboxylových kyselín „vyhrávajú“ v súťaži o oxidáciu z molekúl vody na anóde:
2CH 3 COO - - 2e - \u003d CH 3 -CH 3 + 2CO 2
Zhrnutím elektronických váh a pridaním dvoch rovníc polovičných reakcií na katóde a anóde teda dostaneme:
Katóda: 2H20 + 2e − = 2OH − + H2 |∙1
Anóda: 2CH 3 COO - - 2e - \u003d CH 3 -CH 3 + 2CO 2 | ∙ 1
2H20 + 2CH3COO - \u003d 2OH - + H2 + CH3-CH3 + 2CO2
Získali sme úplnú rovnicu elektrolýzy v iónovej forme. Pridaním dvoch draselných iónov na ľavú a pravú stranu rovnice a ich pridaním s protiiónmi dostaneme úplnú rovnicu elektrolýzy v molekulárnej forme:
2H2O + 2CH3 COOK \u003d 2KOH + H2 + CH3-CH3 + 2CO2
Príklad č. 5
Napíšte rovnice pre procesy prebiehajúce na katóde a anóde počas elektrolýzy vodného roztoku kyseliny sírovej, ako aj všeobecnú rovnicu elektrolýzy.
Kyselina sírová sa disociuje na vodíkové katióny a síranové ióny:
H2SO4 \u003d 2H+ + SO4 2-
Vodíkové katióny H + budú redukované na katóde a molekuly vody budú oxidované na anóde, pretože síranové ióny sú zvyšky kyselín obsahujúce kyslík:
Katóda: 2H + + 2e − = H2 |∙2
Anóda: 2H20 - 4e - = 02 + 4H + |∙1
4H + + 2H20 \u003d 2H2 + O2 + 4H +
Redukciou vodíkových iónov na ľavej, pravej a ľavej strane rovnice dostaneme rovnicu pre elektrolýzu vodného roztoku kyseliny sírovej:
2H20 \u003d 2H2 + O2
Ako je možné vidieť, elektrolýza vodného roztoku kyseliny sírovej sa redukuje na elektrolýzu vody.
Príklad č. 6
Napíšte rovnice pre procesy prebiehajúce na katóde a anóde počas elektrolýzy vodného roztoku hydroxidu sodného, ako aj všeobecnú rovnicu elektrolýzy.
Disociácia hydroxidu sodného:
NaOH = Na + + OH -
Na katóde sa redukujú iba molekuly vody, pretože sodík je vysoko aktívny kov a na anóde iba hydroxidové ióny:
Katóda: 2H20 + 2e − = 2OH − + H2 |∙2
Anóda: 4OH − − 4e − = O 2 + 2H 2 O |∙1
4H20 + 4OH - \u003d 4OH - + 2H2 + O2 + 2H20
Zredukujme dve molekuly vody vľavo a vpravo a 4 hydroxidové ióny a dospejeme k záveru, že ako v prípade kyseliny sírovej sa elektrolýza vodného roztoku hydroxidu sodného redukuje na elektrolýzu vody.
Elektrolýza (grécky elektron - jantár + lýza - rozklad) je chemická reakcia, ku ktorej dochádza pri prechode jednosmerného prúdu cez elektrolyt. Ide o rozklad látok na ich zložky pod vplyvom elektrického prúdu.
Proces elektrolýzy je pohyb katiónov (kladne nabitých iónov) ku katóde (záporne nabitý) a záporne nabitých iónov (aniónov) k anóde (kladne nabitý).
Anióny a katióny sa teda ponáhľajú na anódu a katódu. Tu prebieha chemická reakcia. Pre úspešné riešenie úloh na túto tému a písanie reakcií je potrebné oddeliť procesy na katóde a anóde. Takto bude zostavený tento článok.
Katóda
Na katódu sú priťahované katióny - kladne nabité ióny: Na +, K +, Cu 2+, Fe 3+, Ag + atď.
Aby ste zistili, aká reakcia prebieha na katóde, musíte najskôr určiť aktivitu kovu: jeho polohu v elektrochemickej sérii kovových napätí.
Ak sa na katóde objaví aktívny kov (Li, Na, K), potom sa namiesto neho obnovia molekuly vody, z ktorých sa uvoľňuje vodík. Ak je kov strednej aktivity (Cr, Fe, Cd), na katóde sa uvoľňuje vodík aj samotný kov. Neaktívne kovy sú izolované na katóde v čistej forme (Cu, Ag).
Všimol som si, že hliník sa považuje za hranicu medzi aktívnymi a stredne aktívnymi kovmi v sérii napätí. Pri elektrolýze na katóde sa kovy až po hliník (vrátane!) neobnovujú, namiesto nich sa obnovujú molekuly vody - uvoľňuje sa vodík.
V prípade, že sú na katódu privádzané vodíkové ióny - H + (napr. pri elektrolýze kyselín HCl, H 2 SO 4), dochádza k redukcii vodíka z molekúl kyseliny: 2H + - 2e = H 2
anóda
K anóde sú priťahované anióny - negatívne nabité ióny: SO 4 2-, PO 4 3-, Cl -, Br -, I -, F -, S 2-, CH 3 COO -.
Pri elektrolýze aniónov obsahujúcich kyslík: SO 4 2-, PO 4 3- - na anóde neoxidujú anióny, ale molekuly vody, z ktorých sa uvoľňuje kyslík.
Bezkyslíkaté anióny sa oxidujú a uvoľňujú zodpovedajúce halogény. Sulfidový ión pri oxidácii oxidácie síry. Výnimkou je fluór - ak narazí na anódu, potom sa vybije molekula vody a uvoľní sa kyslík. Fluór je najviac elektronegatívny prvok, a preto je výnimkou.
Anióny organických kyselín sa oxidujú špeciálnym spôsobom: radikál susediaci s karboxylovou skupinou sa zdvojnásobí a samotná karboxylová skupina (COO) sa premení na oxid uhličitý - CO 2 .
Príklady riešení
V procese tréningu môžete naraziť na kovy, ktoré sú v sérii aktivít vynechané. Vo fáze tréningu môžete využiť rozšírenú škálu kovových aktivít.
Teraz budete presne vedieť, čo sa uvoľňuje na katóde ;-)
Takže, poďme cvičiť. Poďme zistiť, čo vzniká na katóde a anóde pri elektrolýze roztokov AgCl, Cu(NO 3) 2, AlBr 3, NaF, FeI 2, CH 3 COOLi.
Niekedy je v úlohách potrebné zaznamenať reakciu elektrolýzy. Informujem vás: ak rozumiete tomu, čo sa tvorí na katóde a čo je na anóde, potom nie je ťažké napísať reakciu. Vezmite napríklad elektrolýzu NaCl a napíšte reakciu:
NaCl + H20 -> H2 + Cl2 + NaOH
Sodík je aktívny kov, preto sa na katóde uvoľňuje vodík. Anión neobsahuje kyslík, uvoľňuje sa halogén - chlór. Rovnicu napíšeme tak, aby sa nám sodík bez stopy nevyparil :) Sodík reaguje s vodou za vzniku NaOH.
Zapíšme si reakciu elektrolýzy pre CuSO 4:
CuSO4 + H20 → Cu + O2 + H2S04
Meď patrí medzi málo aktívne kovy, preto sa vo svojej čistej forme uvoľňuje na katóde. Anión obsahuje kyslík, takže pri reakcii sa uvoľňuje kyslík. Síranový ión nikde nezmizne, spája sa s vodíkom vody a mení sa na kyselinu sírovú.
Elektrolýza taveniny
Všetko, o čom sme doteraz diskutovali, sa týkalo elektrolýzy roztokov, kde rozpúšťadlom je voda.
Priemyselná chémia stojí pred dôležitou úlohou – získavať kovy (látky) v čistej forme. Neaktívne kovy (Ag, Cu) možno ľahko získať elektrolýzou roztokov.
Ale čo aktívne kovy: Na, K, Li? Pri elektrolýze ich roztokov sa totiž na katóde neuvoľňujú v čistej forme, namiesto nich sa redukujú molekuly vody a uvoľňuje sa vodík. Práve tu prídu vhod taveniny, ktoré neobsahujú vodu.
V bezvodých taveninách sa reakcie píšu ešte jednoduchšie: látky sa rozkladajú na svoje zložky:
AlCl3 -> Al + Cl2
LiBr → Li + Br2
© Bellevich Yury Sergeevich 2018-2020
Tento článok napísal Yury Sergeevich Bellevich a je jeho duševným vlastníctvom. Kopírovanie, šírenie (vrátane kopírovania na iné stránky a zdroje na internete) alebo akékoľvek iné použitie informácií a predmetov bez predchádzajúceho súhlasu držiteľa autorských práv je trestné podľa zákona. Ak chcete získať materiály článku a povolenie na ich použitie, kontaktujte nás
Späť dopredu
Pozor! Ukážka snímky slúži len na informačné účely a nemusí predstavovať celý rozsah prezentácie. Ak vás táto práca zaujala, stiahnite si plnú verziu.
Výsledky USE ukazujú, že úlohy na tému „Elektrolýza“ zostávajú pre absolventov náročné. V školských osnovách je na štúdium tejto témy vyčlenený nedostatočný počet hodín. Preto pri príprave študentov na skúšku je potrebné si túto problematiku veľmi podrobne naštudovať. Znalosť základov elektrochémie pomôže absolventovi úspešne zložiť skúšku a pokračovať vo vzdelávaní na vysokej škole Pre štúdium témy „Elektrolýza“ na dostatočnej úrovni je potrebné vykonať prípravné práce s absolventmi, ktorí skúšku zložia. : - zvážiť definície základných pojmov v téme „Elektrolýza“; - analyzovať proces elektrolýznych tavenín a roztokov elektrolytov; - stanoviť pravidlá pre redukciu katiónov na katóde a oxidáciu aniónov na anóde (tzv. úloha molekúl vody pri elektrolýze roztokov); - vytváranie zručností pri zostavovaní rovníc pre proces elektrolýzy (katódové a anódové procesy); - učiť študentov vykonávať štandardné úlohy základnej úrovne (úlohy), vysokej a vysokej úrovne zložitosti. Elektrolýza- redoxný proces prebiehajúci v roztokoch a taveninách elektrolytov pri prechode jednosmerného elektrického prúdu. V roztoku alebo tavenine elektrolytu sa disociuje na ióny. Keď je elektrický prúd zapnutý, ióny nadobúdajú riadený pohyb a na povrchu elektród môžu prebiehať redoxné procesy. anóda- kladná elektróda, prebiehajú na nej oxidačné procesy.
Katóda je negatívna elektróda, prebiehajú na nej regeneračné procesy.
Elektrolýza taveniny používa sa na získanie aktívnych kovov umiestnených v sérii napätí až po hliník (vrátane).
Elektrolýza taveniny chloridu sodného
K(-)Na+ + le -> Na0
A(+)2CI - - 2e -> Cl20
2NaCl (elektronický prúd) -> 2Na + Cl 2 (len pre elektrolýzu taveniny).
Hliník sa získava elektrolýzou roztoku oxidu hlinitého v roztavenom kryolite (Na 3 AlF 6).
2Al 2 O 3 (elektronický prúd) -> 4Al + 3O 2
K(-)Al 3+ +3e‾ ->Al
A(+)202‾ -2e‾ ->02
Elektrolýza taveniny hydroxidu draselného.
KOH->K + +OH‾
K(-) K + + 1e -> K 0
A (+) 4OH - - 4e -> 020 + 2H20
4KOH (elektrický prúd) -> 4K 0 + O 2 0 + 2 H 2 O
Elektrolýza vodných roztokov je náročnejšia, pretože molekuly vody môžu byť v tomto prípade na elektródach redukované alebo oxidované.
Elektrolýza vodných roztokov solí je komplikovanejšia z dôvodu možnej účasti molekúl vody na katóde a na anóde v elektródových procesoch.
Pravidlá elektrolýzy vo vodných roztokoch.
Na katóde:
1. Katióny nachádzajúce sa v sérii kovových napätí od lítia po hliník (vrátane), ako aj katióny NH4+ sa neobnovia, namiesto toho sa obnovia molekuly vody:
2H20 + 2e->H2 + 2OH -
2. Katióny nachádzajúce sa v sérii napätí po hliníku na vodík môžu byť redukované spolu s molekulami vody:
2H20 + 2e->H2 + 2OH -
Zn2+ + 2e->Zn 0
3. Katióny nachádzajúce sa v sérii napätí po úplnej obnove vodíka: Ag + + 1e->Ag 0
4. Vodíkové ióny sa redukujú v kyslých roztokoch: 2H++ 2e->H 2
Na anóde:
1. Anióny obsahujúce kyslík a F-- neoxidujú, namiesto nich sa oxidujú molekuly vody:
2H20 - 4e->02 + 4H+
2. Anióny síry, jódu, brómu, chlóru (v tomto poradí) sa oxidujú na jednoduché látky:
2Cl - - 2e->Cl 2 0 S 2- - 2e->S0
3. Hydroxidové ióny sa oxidujú v alkalických roztokoch:
4OH - - 4e->02 + 2H20
4. Anióny sa oxidujú v roztokoch solí karboxylových kyselín:
2 R - SOO - - 2e->R - R + 2CO2
5. Pri použití rozpustných anód, anóda sama vysiela elektróny do vonkajšieho obvodu v dôsledku oxidácie atómov kovu, z ktorého je anóda vyrobená:
Cu 0 - 2e->Сu 2+
Príklady procesov elektrolýzy vo vodných roztokoch elektrolytov
Príklad 1 K2SO4 -> 2K + + SO4 2-
K(-)2H20 + 2e‾ -> H2 + 2OH -
A(+)2H20 – 4e‾ -> 02 + 4H+
Všeobecná rovnica elektrolýzy: 2H 2 O (elektrický prúd) -> 2 H 2 + O 2
Príklad 2. NaCl ->Na + +Cl‾
K(-)2H20 + 2e‾ -> H2 + 2OH -
A(+)2CI - - 2e -> Cl20
2NaCl + 2H20 (el. prúd) -> H2 + 2NaOH + Cl2
Príklad 3. Cu SO 4 -> Cu 2+ + SO 4 2-
K(-) Cu 2+ + 2e‾ -> Cu
A(+)2H20 – 4e‾ -> 02 + 4H+
Všeobecná rovnica elektrolýzy: 2 Cu SO 4 + 2H 2 O (el. prúd) -> 2Cu + O 2 + 2H 2 SO 4
Príklad 4. CH3COONa->CH3COO+Na+
K(-)2H20 + 2e‾ -> H2 + 2OH -
A(+)2CH3COO‾– 2e‾ ->C2H6+2CO2
Všeobecná rovnica elektrolýzy:
CH3COONa + 2H20 (elektrický prúd) -> H2 + 2NaHC03 + C2H6
Úlohy základnej úrovne zložitosti
Test na tému „Elektrolýza tavenín a roztokov solí. Séria napätí kovov“.
1. Alkálie sú jedným z produktov elektrolýzy vo vodnom roztoku:
1) KCI 2) CuSO4 3) FeCI2 4) AgNO3
2. Pri elektrolýze vodného roztoku dusičnanu draselného sa na anóde uvoľňuje: 1) O 2 2) NO 2 3) N 2 4) H 23. Vodík vzniká pri elektrolýze vodného roztoku: 1) CaCI 2 2) CuSO 4 3) Hg (NO 3) 2 4) AgNO 34. Reakcia je možná medzi: 1) Ag a K 2 SO 4 (roztok) 2) Zn a KCI (roztok) 3) Mg a SnCI 2(roztok) 4) Ag a CuS04 (roztok) 5. Počas elektrolýzy roztoku jodidu sodného na katóde je farba lakmusu v roztoku: 1) červená 2 ) Modrá 3) fialová 4) žltá6. Pri elektrolýze vodného roztoku fluoridu draselného sa na katóde uvoľňuje: 1) vodík 2) fluorovodík 3) fluór 4) kyslík
Úlohy na tému „Elektrolýza“
1. Elektrolýza 400 g 20 % roztoku kuchynskej soli bola zastavená, keď sa na katóde uvoľnilo 11,2 litra (n.o.) plynu. Stupeň rozkladu pôvodnej soli (v %) je:
1) 73 2) 54,8 3) 36,8 4) 18
Riešenie problému. Zostavíme rovnicu reakcie elektrolýzy: 2NaCl + 2H20 → H2 + Cl2 + 2NaOHm (NaCl) \u003d 400 ∙ 0,2 \u003d V roztoku bolo 80 g soli. ν (H 2) \u003d 11,2 / 22 d. 0,5 mol ν(NaCl)=0,5∙2=1 mol(NaCl)= 1∙58,5=58,5 g soli sa rozložilo počas elektrolýzy Stupeň rozkladu soli 58,5/80=0,73 alebo 73 %.Odpoveď: 73 % soli sa rozložilo.
2. Elektrolýza 200 g 10% roztoku síranu chromitého, kým sa soľ úplne nespotrebuje (na katóde sa uvoľní kov). Hmotnosť (v gramoch) použitej vody je:
1) 0,92 2) 1,38 3) 2,76 4) 5,52
Riešenie problému. Zostavíme rovnicu reakcie elektrolýzy: 2Cr 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O → 4Cr + 3O 2 + 6H 2 SO 4m (Cr 2 (SO 4) 3) \u003d 200 ∙ 0,1 \u003d 20 g (ν (Cr ) SO 4) 3) \u003d 20/392 \u003d 0,051 mol ν (H 2 O) \u003d 0,051 ∙ 3 \u003d 0,153 mol (H 2 O) \u003d 0,153 18 \u003dÚlohy so zvýšenou úrovňou zložitosti B3
1. Stanovte zhodu medzi vzorcom soli a rovnicou procesu, ktorý prebieha na anóde počas elektrolýzy jej vodného roztoku.
3. Stanovte zhodu medzi vzorcom soli a rovnicou procesu prebiehajúceho na katóde počas elektrolýzy jej vodného roztoku.
5. Vytvorte súlad medzi názvom látky a produktmi elektrolýzy jej vodného roztoku.
Odpovede: 1 - 3411, 2 - 3653, 3 - 2353, 4 - 2246, 5 - 145. Pri štúdiu témy elektrolýza teda absolventi túto sekciu dobre ovládajú a na skúške vykazujú dobré výsledky. Štúdium materiálu je sprevádzané prezentáciou na túto tému.
