Лабораторная работа № 8.3 Электролиз растворов электролитов

Цель работы: ознакомление с процессами, протекающими на нерастворимых и растворимых электродах, при электролизе водных растворов электролитов и вторичными процессами при электролизе.

Электролизом называют гетерогенный окислительно-восстановительный процесс, происходящий на электродах в растворах или расплавах электролитов под действием внешнего источника тока. Для осуществления электролиза:

– к отрицательному полюсу внешнего источника электричества подключают электрод, на котором будет происходить процесс восстановления (этот электрод, имеющий отрицательный заряд, называют катодом);

– к положительному полюсу внешнего источника электричества подключают электрод, на котором будет происходить процесс окисления (этот электрод, имеющий положительный заряд, называют анодом);

– электроды предварительно погружают в водный раствор (или расплав) электролита.

Ячейку для электролиза, состоящую из двух электродов, погруженных в раствор (расплав) электролита, называют электролизером.

Продукты окисления – восстановления или поглощаются на поверхности электродов (металлы), или выделяются в виде газов, или вступают в реакцию между собой и с другими веществами, находящимися в растворе, образуя вторичные продукты электролиза.

Процессы, протекающие в ходе электролиза на поверхности анода и катода, определяются свойствами электролита, растворителя и материала электрода.

Аноды бывают следующих типов:

– инертные аноды, которые изготавливают из химически инертного материала (платина, графит);

– растворимые аноды (Cu, Ag, Zn, Cd и др.), которые при электролизе разрушаются (переходят в раствор в виде катионов).

При электролизе расплавов в окислительно-восстановительных процессах участвуют только частицы данного электролита. На катоде восстанавливаются его катионы, а на аноде окисляются анионы.

При электролизе водных растворов электролитов в окислительно-восстановительных процессах на электродах участвуют не только ионы электролита, но и ионы воды.

Порядок разрядки катионов у катода: На катоде (К^-) в первую очередь восстанавливаются катионы с более положительным электродным потенциалом, обладающие большей окислительной способностью (стоящие после водорода в ряду напряжений).

При электролизе водных растворов солей активных металлов, стоящих в ряду напряжений от Li до Al включительно, на катоде восстанавливаются ионы водорода, а начиная с марганца – катионы самих металлов.

Порядок разрядки анионов у анода: На аноде в первую очередь окисляются анионы с меньшим электродным потенциалом, обладающие большей восстановительной способностью (табл. 8.5).

Таблица 8.5 – Стандартные электродные потенциалы анионов, В

При электролизе водных растворов солей бескислородных кислот (кроме фтористоводородной) на аноде окисляются кислотные остатки, а при электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот – гидроксид-анионы (OH ^–) из воды.

Ниже рассмотрены примеры записи процессов электролиза:

Пример 1. Электролиз водного раствора Na₂SO₄ на инертных (угольных) электродах.

В растворе сульфата натрия присутствуют ионы Na⁺ и SO₄^-2 и молекулы воды.

Таким образом, при электролизе раствора Na₂SO₄ на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород. Вблизи катода образуется раствор щелочи NaOH, а вблизи анода – раствор H₂SO₄. Если катодное и анодное пространство отделены перегородкой, то можно получить все продукты электролиза в соответствии с уравнением

2Na₂SO₄ + 6H₂O = 2H₂↑ +O₂↑+4NaOH + 2H₂SO₄.

Пример 2. Электролиз водного раствора CuSO₄ с медным (растворимым) анодом.

Из раствора сульфата меди на катоде могут восстанавливаться ионы Cu²⁺ (E⁰_Cu = +0,34 B) и молекулы воды (E⁰_H2O = -0,84 B). Большей окислительной способностью обладают ионы меди, поэтому они восстанавливаются в первую очередь.

На аноде возможны следующие процессы:

2SO₄^2- – 2ē = S₂O₄^2- E₁ = +2,05 B;

2H₂O – 4ē = O₂ + 4H⁺ E₂ = +1,23 B;

Cu⁰ – 2ē = Cu²⁺ E₃ = +0,34 B.

При сравнении окислительно-восстановительных потенциалов этих процессов видно, что потенциал медного анода имеет меньшее значение, следовательно, на аноде окисляется медь, т.е. материал самого анода.

Процесс электролиза в этом случае сводится к выделению меди на катоде и постоянному растворению медного анода.