При электролизе раствора хлорида калия на катоде происходит


Электролиз, подготовка к ЕГЭ по химии

Электролиз (греч. elektron - янтарь + lysis — разложение) - химическая реакция, происходящая при прохождении постоянного тока через электролит. Это разложение веществ на их составные части под действием электрического тока.

Процесс электролиза заключается в перемещении катионов (положительно заряженных ионов) к катоду (заряжен отрицательно), и отрицательно заряженных ионов (анионов) к аноду (заряжен положительно).

Итак, анионы и катионы устремляются соответственно к аноду и катоду. Здесь и происходит химическая реакция. Чтобы успешно решать задания по этой теме и писать реакции, необходимо разделять процессы на катоде и аноде. Именно так и будет построена эта статья.

Катод

К катоду притягиваются катионы - положительно заряженные ионы: Na+, K+, Cu2+, Fe3+, Ag+ и т.д.

Чтобы установить, какая реакция идет на катоде, прежде всего, нужно определиться с активностью металла: его положением в электрохимическом ряду напряжений металлов.

Если на катоде появился активный металл (Li, Na, K) то вместо него восстанавливаются молекулы воды, из которых выделяется водород. Если металл средней активности (Cr, Fe, Cd) - на катоде выделяется и водород, и сам металл. Малоактивные металлы выделяются на катоде в чистом виде (Cu, Ag).

Замечу, что границей между металлами активными и средней активности в ряду напряжений считается алюминий. При электролизе на катоде металлы до алюминия (включительно!) не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды - выделяется водород.

В случае, если на катод поступают ионы водорода - H+ (например при электролизе кислот HCl, H2SO4) восстанавливается водород из молекул кислоты: 2H+ - 2e = H2

Анод

К аноду притягиваются анионы - отрицательно заряженные ионы: SO42-, PO43-, Cl-, Br-, I-, F-, S2-, CH3COO-.

При электролизе кислородсодержащих анионов: SO42-, PO43- - на аноде окисляются не анионы, а молекулы воды, из которых выделяется кислород.

Бескислородные анионы окисляются и выделяют соответствующие галогены. Сульфид-ион при оксилении окислении серу. Исключением является фтор - если он попадает анод, то разряжается молекула воды и выделяется кислород. Фтор - самый электроотрицательный элемент, поэтому и является исключением.

Анионы органических кислот окисляются особым образом: радикал, примыкающий к карбоксильной группе, удваивается, а сама карбоксильная группа (COO) превращается в углекислый газ - CO2.

Примеры решения

В процессе тренировки вам могут попадаться металлы, которые пропущены в ряду активности. На этапе обучения вы можете пользоваться расширенным рядом активности металлов.

Теперь вы точно будете знать, что выделяется на катоде ;-)

Итак, потренируемся. Выясним, что образуется на катоде и аноде при электролизе растворов AgCl, Cu(NO3)2, AlBr3, NaF, FeI2, CH3COOLi.

Иногда в заданиях требуется записать реакцию электролиза. Сообщаю: если вы понимаете, что образуется на катоде, а что на аноде, то написать реакцию не составляет никакого труда. Возьмем, например, электролиз NaCl и запишем реакцию:

NaCl + H2O → H2 + Cl2 + NaOH

Натрий - активный металл, поэтому на катоде выделяется водород. Анион не содержит кислорода, выделяется галоген - хлор. Мы пишем уравнение, так что не можем заставить натрий испариться бесследно :) Натрий вступает в реакцию с водой, образуется NaOH.

Запишем реакцию электролиза для CuSO4:

CuSO4 + H2O → Cu + O2 + H2SO4

Медь относится к малоактивным металлам, поэтому сама в чистом виде выделяется на катоде. Анион кислородсодержащий, поэтому в реакции выделяется кислород. Сульфат-ион никуда не исчезает, он соединяется с водородом воды и превращается в серую кислоту.

Электролиз расплавов

Все, что мы обсуждали до этого момента, касалось электролиза растворов, где растворителем является вода.

Перед промышленной химией стоит важная задача - получить металлы (вещества) в чистом виде. Малоактивные металлы (Ag, Cu) можно легко получать методом электролиза растворов.

Но как быть с активными металлами: Na, K, Li? Ведь при электролизе их растворов они не выделяются на катоде в чистом виде, вместо них восстанавливаются молекулы воды и выделяется водород. Тут нам как раз пригодятся расплавы, которые не содержат воды.

В безводных расплавах реакции записываются еще проще: вещества распадаются на составные части:

AlCl3 → Al + Cl2

LiBr → Li + Br2

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Электролиз растворов

ЭЛЕКТРОЛИЗ РЕШЕНИЙ

 

На этой странице рассматривается электролиз водных растворов соединений. Большинство людей довольно часто встречают это на курсах химии для детей от 14 до 16 лет.

 

Основные идеи

Роль воды в электролизе водных растворов электролитов

Ситуация усложняется, когда вы электролизуете раствор, а не расплав, из-за присутствия воды.

Вода сама по себе является очень слабым электролитом, так как в очень небольшой степени расщепляется на ионы водорода и ионы гидроксида.


Примечание: Я, конечно, упрощаю это. Вы должны знать, что ион водорода не существует сам по себе в этих обстоятельствах - он фактически присоединяется к другой молекуле воды, давая ион гидроксония, H 3 O + . Это означает символ состояния (aq).


Это означает, что на каждый электрод может приходить более одного иона, и можно выбирать, какой из них будет разряжаться.

Например, если вы электролизовали раствор хлорида натрия, ионы натрия и ионы водорода (из воды) притягиваются к катоду, а ионы хлорида и ионы гидроксида (из воды) притягиваются к аноду.

 

Электрохимическая серия

В таблице ниже перечислены несколько металлов (и водород), демонстрирующих их склонность к потере электронов. Чем отрицательнее значение E ° (обычно читается как «E-ноль»), тем левее находится положение равновесия.

Это означает, что чем более отрицательное значение E °, тем больше у одного из этих элементов склонность к потере электронов и образованию своих ионов.

Это также означает, что что-то вроде лития будет иметь небольшую тенденцию собирать электроны для образования атомов после ионизации.

Напротив, что-то с положительным значением E ° будет неохотно терять электроны для образования ионов, но будет довольно легко заставить один из его ионов улавливать электроны, чтобы снова стать нейтральным элементом.

Итак, золото не будет очень реактивным, потому что у него очень положительное значение E °. Удалить электроны, чтобы получить ионы золота, будет нелегко, но ионы золота снова легко превратить в металлическое золото.

Электрохимический ряд можно рассматривать как расширенный и слегка модифицированный ряд реактивности.

Все, что вам действительно нужно знать об электролизе:

  • Чем выше по электрохимическому ряду находится что-то в правой части равновесия, тем легче оно теряет электроны.

  • Чем ниже в электрохимическом ряду находится что-то в левой части равновесия, тем легче оно будет улавливать электроны.


Примечание: Для целей электролиза вам не нужно понимать, откуда берутся эти числа или к чему именно относятся равновесия.

Если вы хотите узнать больше об электрохимических рядах, включая происхождение этих чисел, вы найдете их, перейдя по этой ссылке.Это вторая страница из серии страниц, посвященных окислительно-восстановительным потенциалам, и вам, вероятно, потребуется прочитать и первую страницу. Это не обязательно для просмотра остальной части текущей страницы.



Подведение итогов

Я хочу подвести итоги этого, прежде чем подробно рассматривать конкретные примеры. Важно, чтобы вы запомнили шаблоны, приведенные в следующем фрагменте.

Что происходит на катоде?

Положительные ионы притягиваются к катоду, где они захватывают один или несколько электронов и разряжаются.

Либо металл осаждается, либо вы получаете водород из воды. Что вы получите, зависит от положения металла в электрохимическом ряду и, в некоторых случаях, от концентрации раствора.

  • Если металл ниже водорода в электрохимическом ряду (если он имеет положительное значение E °), то вы получите металл. К таким металлам относятся медь и серебро.

  • Если металл занимает высокое место в электрохимическом ряду (если он имеет довольно отрицательное значение E °), то вы получаете водород.К таким металлам относятся магний и натрий.

  • Металлы от, скажем, свинца до цинка в электрохимическом ряду более сложные. Что получится, зависит от концентрации раствора. Если раствор достаточно концентрированный, вы получите осаждение металла. Если раствор очень разбавлен на , вы получите водород. При промежуточных концентрациях вы можете получить и то, и другое.

Чем выше элемент в электрохимическом ряду, тем легче он теряет электроны и тем труднее забирает их обратно.Гораздо легче убедить медь взять обратно электроны, чтобы превратить ион в атом, чем, скажем, сделать то же самое с литием.

Что происходит на аноде?

Использование инертных электродов, таких как платиновый или угольный

Как правило, если у вас есть галоген, вы получите галоген. Со всеми другими распространенными анионами (отрицательными ионами) вы будете получать кислород из воды.

Но здесь играет роль концентрация.Например, если у вас есть концентрированный раствор хлорида натрия, на аноде будет в основном хлор. Чем больше и больше разбавленных растворов, тем меньше хлора и больше кислорода. Очень и очень разбавленные растворы будут давать в основном кислород.

Если анод не инертен

Сложность возникает, если анод не инертен, и мы рассмотрим пару примеров этого ниже.

 

Некоторые примеры

Электролиз раствора сульфата меди (II) угольными электродами

Медь находится ниже уровня водорода в электрохимическом ряду, поэтому, используя приведенное выше резюме, можно предсказать, что медь будет выделяться на катоде.

Продолжая использовать приведенное выше резюме, вы можете предсказать, что кислород будет выделяться на аноде, потому что в нем нет галогена.

Именно это и происходит.

На катоде

Ионы меди (II) и ионы водорода притягиваются к отрицательному катоду. Медь находится ниже водорода в электрохимическом ряду, поэтому именно медь принимает электроны от катода.

Катод покрывается медью.

На аноде

Ионы сульфата и ионы гидроксида притягиваются к положительному катоду, но очень трудно убедить ионы сульфата отдать электроны.

Теперь все становится сложнее, потому что есть два способа описания анодной реакции в подобных случаях. Самый простой способ - представить это в терминах гидроксид-ионов.

Если предположить, что ионы гидроксида разряжены

Кислород выделяется.

Проблема заключается в том, что в растворе сульфата меди (II) будет очень мало гидроксид-ионов. Вы можете обойти это, заметив, что водная реакция, которая производит ионы водорода и гидроксида, является равновесной. Когда вы разряжаете ионы гидроксида, равновесие смещается, чтобы заменить их.

Получение кислорода непосредственно из молекул воды

Общий эффект точно такой же, как если бы вы выпустили ионы гидроксида, и водное равновесие сместилось, чтобы заменить их.Сдвиг равновесия также будет производить ионы водорода. Они, конечно, будут отталкиваться от анода.

Так что же правильно?

Это почти наверняка зависит от pH раствора. В этом конкретном случае раствор сульфата меди (II) является умеренно кислым, что означает, что гидроксид-ионов даже меньше, чем в чистой воде, поэтому второе уравнение (вода), вероятно, будет более точным.


Примечание: Что вы делаете с этим для экзамена? Вам нужно выяснить, какую версию этих уравнений используют ваши экзаменаторы, и затем придерживаться ее во всем - не беспокойтесь об изменении ее от примера к примеру.Вам необходимо проверить, какие из них они использовали в своих прошлых работах и ​​какую форму они предпочитают в своих схемах оценок. Вполне вероятно, что они тоже согласятся, но вы должны быть уверены.


Подобные футляры

Любой раствор, содержащий ионы сульфата (включая разбавленную серную кислоту), будет вести себя точно так же на инертном аноде - будет выделяться кислород.

Нитрат-ионы также производят кислород. Вывести гидроксид-ионы из воды (или из самой воды, если вы используете это уравнение) легче, чем из нитрат-иона.

 

Электролиз раствора хлорида натрия угольными электродами

Натрий значительно превосходит водород в электрохимическом ряду, поэтому, используя приведенное выше резюме, можно предсказать, что водород будет выделяться на катоде.

Продолжая использовать приведенное выше резюме, можно предсказать, что хлор (галоген) будет выделяться на аноде.

Оказывается, этот случай немного сложнее, потому что результат на аноде зависит от концентрации раствора.

На катоде

Прибывают ионы натрия и ионы водорода (из воды), но натрий настолько высок в электрохимическом ряду, что его ионы не разряжаются там, где есть выбор.

Если вы электролизуете расплавленный хлорид натрия, то выбора нет - надо разряжать ионы натрия. Но в решении у вас есть альтернатива. К сожалению, есть два разных взгляда на это, аналогичные проблеме с анодом, описанной выше.

Предполагая, что ионы водорода разряжаются

Выделяется водород.

Вы можете преодолеть тот факт, что в растворе не так много ионов водорода, если вспомнить, что когда вода ионизируется с образованием ионов водорода и гидроксид-ионов, возникает равновесие. По мере того, как ионы водорода высвобождаются, больше воды расщепляется, чтобы заменить их.

Получение водорода непосредственно из молекул воды

Как и в случае с аналогичным анодным случаем выше, как бы вы ни смотрели на него, общий эффект точно такой же.Вы получаете газообразный водород и образование ионов гидроксида - вместе с ионами водорода, когда водное равновесие смещается, чтобы заменить высвобождаемые ионы водорода.

Итак, какое уравнение вам следует использовать?

Вы должны руководствоваться тем уравнением, которое используют ваши экзаменаторы в своих вопросах или в схемах выставления оценок. На практике они, вероятно, примут и то, и другое.

Подобные футляры

Всякий раз, когда вы электролизуете соединение металла выше водорода в электрохимическом ряду и получаете водород, применяется тот же аргумент.Однако есть некоторые случаи, когда водород не выделяется при таких обстоятельствах, и мы рассмотрим их далее на странице.

На аноде

Ионы хлора и ионы гидроксида притягиваются к положительному аноду. На самом деле, ионы гидроксида немного легче разряжать, но в основном вы получаете хлор.

  • Если раствор хлорида натрия достаточно концентрирован, вы получите в основном хлор.

  • Если раствор хлорида натрия очень разбавлен , вы получите в основном кислород.

  • При промежуточных концентрациях вы получите смесь обоих.


Примечание: На этом уровне это то, что вам в значительной степени просто необходимо принять. Не существует простого объяснения , которое я мог бы добавить, не делая эту длинную и часто сложную страницу еще хуже. Я думаю, очень маловероятно, что вам когда-нибудь придется объяснять причину этого на экзамене по химии на этом уровне.

Если вы столкнетесь с вопросами от экзаменаторов, которые, по-видимому, требуют соответствующих объяснений, не могли бы вы сообщить мне об этом по адресу, указанному на странице об этом сайте.Было бы полезно, если бы вы также могли точно сказать мне, что ваши экзаменаторы ожидают от вас.



Образование хлора определяется уравнением:

А образование кислорода задается одним из уравнений:

или:

Водные растворы бромидов и иодидов

В обоих случаях можно предположить, что на аноде образуется бром или йод.Уравнения аналогичны разряду ионов хлора выше.

 

Электролиз раствора хлорида натрия с использованием ртутного катода

Это хороший пример случая, когда природа электрода имеет огромное значение.

Когда-то это был основной промышленный метод производства раствора гидроксида натрия, а также хлора и водорода, но теперь его заменили более экологически чистые методы. В прошлом были серьезные примеры опасного загрязнения из-за утечки ртути в окружающую среду.

На катоде

Когда ионы натрия и ионы водорода достигают ртутного катода, именно ионы натрия выделяются в виде металлического натрия. Он растворяется в ртути с образованием раствора, известного как «натриевая амальгама».

Амальгама натрия вытекает из электролизной ячейки и вступает в реакцию с водой, освобождая ртуть для рециркуляции через ячейку и производя раствор гидроксида натрия и водород.

На аноде

Хлор производится, как и следовало ожидать.

 

Электролиз раствора сульфата цинка угольными электродами

Я использую соединение цинка в качестве примера довольно неожиданных результатов, которые вы получаете при электролизе растворов соединений металлов от свинца до цинка в электрохимической серии.

Все они выше водорода в электрохимическом ряду, и поэтому можно ожидать, что водород будет выделяться на катоде вместо металла. Это не то, что происходит при любой разумной концентрации растворов солей этих металлов.

На катоде

Ионы цинка захватывают электроны с катода, образуя атомы цинка, которые прикрепляются к катоду.

На аноде

Это еще один случай электролиза сульфата, и мы подробно рассмотрели его далее на странице, рассказывая об электролизе раствора сульфата меди (II).


Примечание: Опять же, не существует быстрого и простого способа объяснить, почему разряжаются ионы цинка, а не ионы водорода, и очень маловероятно, что вас попросят объяснить это на экзамене на этом уровне.

Если вы хотите узнать больше, вы можете найти в Google перенапряжение . Вы можете встретить такие фразы, как «большое перенапряжение водорода». Использование слова «перенапряжение» на самом деле ничего не объясняет. Все, что он на самом деле говорит, - это то, что водород труднее разрядить, чем можно было бы ожидать, исходя из его положения в электрохимическом ряду - и мы знаем это, потому что экспериментально в том случае, о котором мы говорим, вы получаете цинк, а не водород.

Итак, если вы хотите следить за этим (почти наверняка не требуется для экзаменов по химии на этом уровне), поищите объяснения, объясняющие, почему значение E ° водорода не применимо в реальной ситуации электролиза раствора сульфата цинка.



Электролиз раствора нитрата серебра с использованием серебряного анода

Это пример случая, когда вы используете электрод, который химически участвует в реакции.

На катоде

Если вы электролизуете раствор нитрата серебра с использованием серебра в качестве анода, серебро осаждается на любом материале, из которого сделан катод, как и следовало ожидать.

Может использоваться для серебряного покрытия.

На аноде

Но на аноде, вместо того, чтобы что-либо выгружать из раствора, серебро из анода переходит в раствор в виде ионов серебра, оставляя электроны на аноде.

Анод теряет серебро, и чистое изменение - это просто перенос серебра с анода на катод.

 

Электролиз раствора сульфата меди (II) с использованием медного анода

Аналогичное изменение происходит при электролизе раствора сульфата меди (II) с помощью медных электродов.Медь осаждается на катоде, как и следовало ожидать, но вместо кислорода, выделяемого на аноде, ионы меди (II) переходят в раствор. Опять же, есть чистый перенос меди от анода к катоду.

Используется для очистки меди, и вы можете узнать об этом больше, прочитав часть страницы о меди. Вам не нужна вся страница - только раздел об очищении.

 

Практическая деталь

Конечно, вы можете электролизовать раствор, поместив его в химический стакан с двумя угольными электродами и подключив электроды к источнику постоянного тока, например батарее.

Тем не менее, вы можете захотеть собрать все выделяемые газы для проверки и, возможно, измерить их объем. В заключительной части этой страницы рассматриваются два простых устройства, которые позволят вам это сделать.

Сбор любых газов для проверки

Если у вас есть газы, исходящие от обоих электродов, вам необходимо держать их отдельно, а также собирать их. Это простой и дешевый способ сделать это.

Изначально обе маленькие пробирки заполнены любым раствором, который вы можете подвергать электролизу.Газы, выходящие из двух электродов, не смешиваются, и, если есть два газа, оба могут быть испытаны отдельно.

Помимо газов, отчетливо видны любые осажденные на катоде металлы, а также любые растворы брома или йода, образующиеся на аноде. Раствор брома от бледного до средне-оранжевого цвета; Цвет раствора йода варьируется в зависимости от концентрации йода от оранжевого до темно-красного.


Примечание: Йод можно получить только при электролизе раствора йодида.Выделяющийся йод фактически реагирует с непрореагировавшими ионами йодида с образованием растворимого иона I 3 - . Это вызывает появление красного цвета.


Сбор любых газов для их измерения

Самый простой способ - использовать U-образную трубку с боковым рычагом. Вы можете собирать и измерять объем выделяемых газов, собирая их над водой в перевернутые мерные цилиндры или в газовые шприцы.

Амперметр включен в схему, потому что, если вы измеряете выделяемые объемы, вы почти наверняка захотите узнать, какой ток протекает, чтобы выполнять какие-либо вычисления. Расчеты описаны на других страницах этого раздела.

 
 

Куда бы вы сейчас хотели пойти?

В меню «Электролиз». , ,

В меню «Неорганическая химия»., ,

В главное меню. , ,

 

© Джим Кларк, 2017

.

Что такое электролиз концентрированного хлорида калия в водных растворах?

Химия
Наука
  • Анатомия и физиология
  • астрономия
  • астрофизика
  • Биология
  • Химия
  • наука о планете Земля
  • Наука об окружающей среде
  • Органическая химия
.

Ячейки электролитические

Электролитический Ячейки


Гальванические элементы используют спонтанную химическую реакцию для запуска электрический ток через внешнюю цепь. Эти клетки важны, потому что они являются основой для батарей, современное общество. Но они не единственный вид электрохимического клетка. Также возможно построить ячейку, которая работает на химическую систему, пропуская электрический ток через система.Эти ячейки называются электролитическими ячейками . Электролиз используется для запуска окислительно-восстановительной реакции в направление, в котором это не происходит спонтанно.


Электролиз Расплавленный NaCl

Идеализированная ячейка для электролиза хлорида натрия показано на рисунке ниже. Источником постоянного тока является подключен к паре инертных электродов, погруженных в расплавленный натрий хлористый. Поскольку соль нагревается до плавления, Na + ионы текут к отрицательному электроду, и Cl - ионы текут к положительному электроду.

Когда ионы Na + сталкиваются с отрицательным электродом, батарея имеет достаточно большой потенциал, чтобы заставить эти ионы собирать электроны с образованием металлического натрия.

Отрицательный электрод (катод) : Na + + e - Na

Cl - ионы , которые сталкиваются с положительным электродом окисляются до газа Cl 2 , который при этом выделяется электрод.

Положительный электрод (анод) : 2 класса - Класс 2 + 2 и -

Чистый эффект от прохождения электрического тока через расплав соли в этой ячейке должен разложить хлорид натрия на его элементы, металлический натрий и газообразный хлор.

Электролиз NaCl :
Катод (-): Na + + e - Na
Анод (+): 2 класса - Класс 2 + 2 и -

Потенциал, необходимый для окисления ионов Cl - до Cl 2 равно -1.36 вольт и потенциал, необходимый для восстановления Na + ионов к металлическому натрию составляет -2,71 вольт. Аккумулятор, используемый для вождения поэтому эта реакция должна иметь потенциал не менее 4,07 вольт.

Этот пример объясняет, почему процесс называется электролиз . Суффикс - lysis происходит от греческого корня, означающего ослабить или разделить. Электролиз буквально использует электрический current, чтобы разбить соединение на элементы.

электролиз
2 NaCl ( л ) 2 Na ( л ) + Cl 2 ( г )

Этот пример также иллюстрирует разницу между гальваническими ячейки и электролитические ячейки.Гальванические элементы используют данную энергию отключается в результате спонтанной реакции на выполнение работы с электричеством. электролитический клетки используют электрическую работу в качестве источника энергии, чтобы управлять реакция в обратном направлении.

Пунктирная вертикальная линия в центре рисунка выше представляет собой диафрагму, удерживающую производимый газ Cl 2 на аноде от контакта с металлическим натрием генерируется на катоде. Функция этой диафрагмы может быть понять, обратившись к более реалистичному изображению Показана коммерческая ячейка Дауна, используемая для электролиза хлорида натрия на рисунке ниже.

Газообразный хлор, образующийся на графитовом аноде, вставленном в дно этой ячейки пузырится сквозь расплавленный натрий хлорид в воронку наверху ячейки. Натрий металлический, который формы на катоде всплывают через расплав хлорида натрия в натрийсборное кольцо, из которого периодически сливают. Диафрагма, разделяющая два электрода, представляет собой экран из железной сетки, предотвращающий взрывную реакцию, произошло бы, если бы продукты реакции электролиза попали в контакт.

Сырье для ячейки Даунса представляет собой смесь 3: 2 по массе CaCl 2 и NaCl. Эта смесь используется, потому что она имеет температура плавления 580 o C, тогда как чистый хлорид натрия должен быть нагрет до температуры более 800 o C перед тем, как расплавиться.


Электролиз водного NaCl

На рисунке ниже показан идеализированный чертеж ячейки, в которой водный раствор хлорида натрия подвергается электролизу.

И снова ионы Na + мигрируют в сторону отрицательный электрод и ионы Cl - мигрируют в сторону положительный электрод. Но теперь есть два вещества, которые можно восстановленные на катоде: ионы Na + и молекулы воды.

Катод (-):
Na + + e - Na E o красный = -2.71 В
2 H 2 O + 2 e - Н 2 + 2 ОН - E o красный = -0,83 В

Потому что восстановить воду намного легче, чем Na + ионов, единственный продукт, образующийся на катоде, - газообразный водород.

Катод (-): 2 H 2 O ( l ) + 2 e - H 2 ( г ) + 2 OH - ( водн. )

Есть также два вещества, которые могут окисляться при анод: ионы Cl - и молекулы воды.

Анод (+):
2 класса - Класс 2 + 2 и - E o ox = -1,36 В
2 H 2 O O 2 + 4 H + + 4 e - E o вол = -1.23 В

Потенциалы стандартного состояния для этих полуреакций таковы близко друг к другу, что мы могли бы ожидать увидеть смесь Cl 2 и O 2 собирают газ на аноде. На практике единственный продуктом этой реакции является Cl 2 .

Анод (+): 2 класса - Класс 2 + 2 и -

На первый взгляд кажется, что окислить воду проще ( E o ox = -1.23 вольт), чем ионы Cl - ( E o ox = -1,36 вольт). Однако стоит отметить, что ячейка никогда не позволял достичь стандартных условий. Решение обычно 25% NaCl по массе, что значительно снижает потенциал, необходимый для окисления иона Cl - . PH ячейка также держится очень высоко, что снижает окисление потенциал для воды. Решающим фактором является явление, известное как перенапряжение , то есть дополнительное напряжение, которое должно быть применяется к реакции, чтобы вызвать ее со скоростью, с которой она произошло бы в идеальной системе.

В идеальных условиях потенциал 1,23 В является большим достаточно, чтобы окислить воду до газа O 2 . Под реальным условиях, однако может потребоваться гораздо большее напряжение для инициировать эту реакцию. (Перенапряжение при окислении воды может достигать 1 В.) Тщательно выбирая электрод для максимального увеличения перенапряжения при окислении воды а затем тщательно контролируя потенциал, при котором ячейка работает, мы можем гарантировать, что в этом реакция.

Таким образом, электролиз водных растворов натрия хлорид не дает таких же продуктов, как электролиз расплава натрия хлорид. Электролиз расплавленного NaCl разлагает это составить его элементы.

электролиз
2 NaCl ( л ) 2 Na ( л ) + Cl 2 ( г )

Электролиз водных растворов NaCl дает смесь водород и газообразный хлор и водный гидроксид натрия решение.

электролиз
2 NaCl ( водн. ) + 2 H 2 O ( л ) 2 Na + ( водн. ) + 2 OH - ( водн. ) + H 2 ( г ) + Cl 2 ( г )

Потому что потребность в хлоре намного превышает потребность для натрия электролиз водного хлорида натрия является более важный процесс с коммерческой точки зрения.Электролиз водного NaCl Решение имеет два других преимущества. Производит газ H 2 . у катода, который можно собирать и продавать. Он также производит NaOH, который можно слить из нижней части электролитической сотовый и продан.

Пунктирная вертикальная линия на рисунке выше представляет диафрагма, предотвращающая образование Cl 2 на аноде в этой ячейке от контакта с NaOH, который накапливается на катоде.Когда эта диафрагма снимается с ячейка, продукты электролиза водного натрия хлорида реагируют с образованием гипохлорита натрия, который является первым шаг в приготовлении гипохлоритных отбеливателей, таких как Chlorox.

Класс 2 ( г ) + 2 OH - ( водн. ) Cl - ( водн. ) + OCl - ( водн. ) + H 2 O ( л )


Электролиз воды

Стандартный аппарат для электролиза воды показан на рисунок ниже.

электролиз
2 H 2 O ( л ) 2 H 2 ( г ) + O 2 ( г)

Пара инертных электродов запаяна на противоположных концах контейнер, предназначенный для сбора H 2 и O 2 газ выделяется в этой реакции.Затем электроды подключаются к батарее или другому источнику электрического тока.

Сама по себе вода - очень плохой проводник электричества. Мы поэтому добавьте в воду электролит, чтобы получить ионы, которые могут протекает через раствор, завершая тем самым электрическую цепи. Электролит должен быть растворим в воде. Следует также быть относительно недорогим. Самое главное, он должен содержать ионы которые сложнее окислить или восстановить, чем вода.

2 H 2 O + 2 e - Н 2 + 2 ОН - E o красный = -0.83 В
2 H 2 O O 2 + 4 H + + 4 e - E o ox = -1,23 В

Следующие катионы восстановить труднее, чем вода: Li + , Rb + , K + , CS + , Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ , Na + и Mg 2+ .Два из этих катионов являются более вероятными кандидатами, чем другие потому что они образуют недорогие растворимые соли: Na + и К + .

Ион SO 4 2- может быть лучшим анионом для использовать, потому что это самый трудный для окисления анион. потенциал окисления этого иона до пероксидисульфат-иона равен -2,05 вольт.

2 СО 4 2- S 2 O 8 2- + 2 e - E o вол = -2.05 В

В водном растворе Na 2 SO 4 или K 2 SO 4 подвергается электролизу в аппарате как показано на рисунке выше, H 2 газ собирается на одном электрод и газ O 2 собирается на другом.

Что было бы, если бы мы добавили такой индикатор, как бромтимол синий к этому аппарату? Бромтимоловый синий желтеет в кислой среде. растворы (pH <6) и синий цвет в щелочных растворах (pH> 7.6). Согласно уравнениям двух полуреакций индикатор должен стать желтым на аноде и синим на катод.

Катод (-): 2 H 2 O + 2 e - Н 2 + 2 ОН -
Анод (+): 2 H 2 O O 2 + 4 H + + 4 e -


Закон Фарадея

Закон электролиза Фарадея можно сформулировать следующим образом. количество вещества, потребляемого или производимого на одном из электродов в электролитической ячейке прямо пропорционально количество электричества, которое проходит через ячейку.

Чтобы использовать закон Фарадея, мы должны признать соотношение между током, временем и количеством электрического заряд, протекающий по цепи. По определению один кулон заряда передается, когда в течение 1 секунды протекает ток 1 А.

1 C = 1 ампер-с

Пример: Чтобы проиллюстрировать, как можно использовать закон Фарадея, давайте рассчитайте количество граммов металлического натрия, которое образуется при катод при 10.Через расплавленный натрия хлорид в течение 4.00 часов.

Начнем с расчета количества электрического заряда, который протекает через ячейку.

Прежде чем мы сможем использовать эту информацию, нам нужен мост между эта макроскопическая величина и явление, происходящее на атомный масштаб. Этот мост представлен постоянной Фарадея, который описывает количество кулонов заряда, которое несет моль электронов.

Таким образом, число молей электронов, перенесенных при 144000 кулонов электрического заряда, протекающего через ячейку, могут быть рассчитывается следующим образом.

Согласно полученному уравнению реакции происходит на катоде этой ячейки, мы получаем один моль натрия за каждый моль электронов.

Катод (-): Na + + e - Na

Таким образом, получаем 1.49 моль, или 34,3 грамма натрия в 4,00 ч.

Последствия этого расчета следующие: интересный. Нам пришлось бы проводить этот электролиз более чем два дня, чтобы приготовить полкило натрия.

Мы можем расширить общую схему изложены в этом разделе, чтобы ответить на вопросы, которые могут показаться невозможно на первый взгляд.

,

Смотрите также