При электролизе водного раствора нитрата калия на катоде выделяется


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.

% PDF-1.4 % 680 0 объект > endobj Xref 680 45 0000000016 00000 н. 0000002171 00000 н. 0000002330 00000 н. 0000002868 00000 н. 0000003346 00000 п. 0000003871 00000 н. 0000004522 00000 н. 0000005173 00000 п. 0000005780 00000 н. 0000006305 00000 н. 0000006419 00000 н. 0000006531 00000 н. 0000006953 00000 п. 0000007336 00000 н. 0000007788 00000 н. 0000008694 00000 п. 0000008994 00000 н. 0000009021 00000 н. 0000009152 00000 п. 0000010015 00000 п. 0000010767 00000 п. 0000011446 00000 п. 0000011624 00000 п. 0000011804 00000 п. 0000012021 00000 п. 0000012736 00000 п. 0000012915 00000 п. 0000014044 00000 п. 0000014897 00000 п. 0000015812 00000 п. 0000021385 00000 п. 0000024309 00000 п. 0000032923 00000 п. 0000032993 00000 п. 0000033077 00000 п. 0000036037 00000 п. 0000036298 00000 п. 0000036459 00000 п. 0000036578 00000 п. 0000040930 00000 п. 0000041213 00000 п. 0000078927 00000 п. 0000078966 00000 п. 0000001979 00000 п. 0000001196 00000 н. прицеп ] / Пред. 198189 / XRefStm 1979 >> startxref 0 %% EOF 724 0 объект > поток hb``b``f`c`` = Ȁ

.

Электролиз - химия | Сократик

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

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, питающих современное общество. Но это не единственный вид электрохимического клетка. Также возможно построить ячейку, которая работает на химической системы, 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 его 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 выкл в 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 расплавленный хлорид 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, единственным продуктом, образующимся на катоде, является 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 можем 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 легче ( 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 заставить ее происходить 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 заделана 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