Учебник для 11 класса

ХИМИЯ

§ 18.8. Электролиз

Если в раствор или расплав электролита опустить электроды и пропустить постоянный электрический ток, то ионы будут двигаться направленно: катионы — к катоду (отрицательно заряженному электроду), анионы — к аноду (положительно заряженному электроду).

На катоде катионы принимают электроны и восстанавливаются, на аноде анионы отдают электроны и окисляются. Этот процесс называют электролизом.

Простейший пример таких процессов — электролиз расплавленных солей.

Рассмотрим процесс электролиза расплава хлорида натрия (рис. 46).

Рис. 46.
Схема электролиза расплава хлорида натрия(анодное и катодное пространства разделены диафрагмой)

В расплаве идет процесс диссоциации:

Под действием электрического тока катионы натрия Na⁺ движутся к катоду и принимают от него электроны:

Хлорид-анионы С1^- движутся к аноду и отдают электроны:

Суммарное уравнение процессов:

На катоде образуется металлический натрий, на аноде — газообразный хлор.

Главное, что вы должны помнить: в процессе электролиза за счет электрической энергии осуществляется химическая реакция, которая самопроизвольно идти не может.

Сложнее дело обстоит в случае электролиза растворов электролитов.

В растворе соли, кроме ионов металла и кислотного остатка, присутствуют молекулы воды. Поэтому при рассмотрении процессов на электродах необходимо учитывать их участие в электролизе.

Для определения продуктов электролиза водных растворов электролитов существуют следующие правила.

1. Процесс на катоде зависит не от материала катода, из которого он сделан, а от положения металла (катиона электролита) в электрохимическом ряду напряжений, при этом если:

1.1. Катион электролита расположен в ряду напряжений в начале ряда (по Аl включительно), то на катоде идет процесс восстановления воды (выделяется водород Н₂↑). Катионы металла не восстанавливаются, они остаются в растворе.

1.2. Катион электролита находится в ряду напряжений между алюминием и водородом, то на катоде восстанавливаются одновременно и ионы металла, и молекулы воды.

1.3. Катион электролита находится в ряду напряжений после водорода, то на катоде восстанавливаются катионы металла.

1.4. В растворе содержатся катионы разных металлов, то сначала восстанавливается катион металла, стоящего в ряду напряжений правее.

Эти правила отражены на схеме 10.

2. Процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аниона (схема 11).

2.1. Если анод растворяется (железо, цинк, медь, серебро и все металлы, которые окисляются в процессе электролиза), то окисляется металл анода, несмотря на природу аниона.

2.2. Если анод не растворяется (его называют инертным — графит, золото, платина), то:

а) при электролизе растворов солей бескислородных кислот (кроме фторидов) на аноде идет процесс окисления аниона;

б) при электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот и фторидов на аноде идет процесс окисления воды (выделяется 02Т). Анионы не окисляются, они остаются в растворе;

в) анионы по их способности окисляться располагаются в следующем порядке:

Попробуем применить эти правила в конкретных ситуациях.

Рассмотрим электролиз раствора хлорида натрия, в случае если анод нерастворимый и если анод растворимый.

а) Анод нерастворимый (например, графитовый).

В растворе идет процесс электролитической диссоциации

Суммарное ионное уравнение

Учитывая присутствие ионов Na⁺ в растворе, составляем молекулярное уравнение:

б) Анод растворимый (например, медный).

Если анод растворимый, то металл анода будет окисляться:

Катионы Cu²⁺ в ряду напряжений стоят после (Н⁺), поэтому они и будут восстанавливаться на катоде.

Концентрация хлорида натрия NaCl в растворе не изменяется.

Рассмотрим электролиз раствора сульфата меди (II) на нерастворимом аноде:

Суммарное ионное уравнение:

Суммарное молекулярное уравнение с учетом присутствия анионов в растворе:

(серная кислота образуется в анодном пространстве).

Рассмотрим электролиз раствора гидроксида калия на нерастворимом аноде:

Суммарное ионное уравнение:

Суммарное молекулярное уравнение:

В данном случае идет только электролиз воды. Аналогичный результат получим и в случаях электролиза растворов серной кислоты H₂SO₄, нитрата натрия NaNO₃, сульфата калия K₂SO₄ и др.

Электролиз расплавов и растворов веществ широко используют в промышленности:

1. Для получения металлов (алюминий, магний, натрий, кадмий получают только электролизом).
2. Для получения водорода, галогенов, щелочей.
3. Для очистки металлов — рафинирования (очистку меди, никеля, свинца проводят электрохимическим методом).
4. Для защиты металлов от коррозии — нанесения защитных покрытий в виде тонкого слоя другого металла, устойчивого к коррозии (хрома, никеля, меди, серебра, золота), — гальваностегия (рис. 47).

   

   Рис. 47.
   Покрытие с помощью электролиза тонким слоем хрома корпуса чайника

5. Получение металлических копий, пластинок — гальванопластика.