7.4. Электролиз

Электролиз. Совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих на эле/с/^дях при прохождении постоянного электрического тока через расплавы и растворы электролитов, а также твердые электролиты. Отрицательно заряженный электрод называется катодом (К"), положительный— анодом (А+). На като-де происходит процесс восстановления катионов электролита, на

142

143

аноде — процесс окисления анионов электролита. На катоде: Э+n + ne_{_ _} -> Э0 На аноде: Э-ⁿ - ne ^Э0 На рис. 51 показана схема электролиза расплава NaCI.

2) чем правее в ряду напряжений металлов находится ме­талл, тем легче идет его восстановление на катоде:

Ряд катионов

Mn2+, ..., Pt2+, Au3+

Li + , Rb + , ..., Mg 2+ , Al 3+ ,

окислительные свойства катиона усиливаются

Рис. 51. Схема электролиза

NaCl« Na⁺ + Cl^-(расплав)

Характер процесса на аноде зависит от материала анода и от аниона.

Нерастворимый анод- С (уголь, графит, Pt, Au). На не­растворимом аноде легко окисляются анионы бескислородных кислот. В случае анионов кислородсодержащих кислот и фторид-иона F _ , на аноде окисляются молекулы воды.

Ряд анионов (окисляются на нерастворимом аноде)

OH-

2Na⁺ + 2Cl- -> 2Na + Cl₂

электролиз

2NaCl ^ 2Na+Cl₂

Характер процессов на электродах зависит от многих факто-ров. Характер процесса на катоде зависит от катиона. Чтобы со­ставить схему электролиза раствора электролита, надо вспом-нить главные правила для катода:

1) если металл находится в ряду напряжений от Li до Al (включительно), то он не выделяется на катоде, происходит восстановление молекул H₂O;

144

восстановительные свойства аниона ослабевают

Na⁺: катод

0

Na⁺+e^Na (восстановление)

К^–:

А+:

0

Na+ + e ^ Na 2Cl ^--2e^Cl

2

анод: Cl-

2Cl ^--2e->Cl₂ (окисление)

2

1

восстанавливается вода: 2H₂O + 2e^H₂Т+2OH-

2H⁺ +2e^H₂Т

Катионы металлов от

S2-, I^–, Br^–, Cl-

Li +до Al 3+ (включительно) остаются в растворе

окисляются анионы

2Cl- -2e-> Cl₂ Т

_ S²- -2eH>Si

восстанавливаются катионы металлов:

Men⁺+ne^Me

NO2, SO₃²-...F-

(и другие кислородсодержащие анионы)

окисляется вода 2H₂O-4e^4H⁺ +O₂Т

4OH--4 _^2H₂O + O₂Т

Анионы кислотных остатков остаются в растворе

145

Растворимый анод при электролизе окисляется, и в ре-зультате этого он растворяется:

0 A⁺:Me-ne®Meⁿ⁺

материал уходят в раствор

анода и затем к катоду

На катоде происходит восстановление этого же металла:

0 K- : Meⁿ⁺ + ne ® Me

Например, при электролизе раствора CuCI₂ на медных электродах: 0 электролиз 0

CuCl₂ + Cu ® CuCl₂ + Cu

(анод) (на катоде)

Медь анода растворяется, а затем в виде катиона Cu²⁺ подходит к катоду и снова выделяется на катоде в виде простого вещества. При этом количество ионов металла Cu²⁺ в растворе не изменяется. Масса меди на аноде уменьшается, а на катоде уве­личивается. Такой процесс используется в технике для электро-литической очистки металла и называется электролитическим рафинированием металла.

Законы Фарадея (законы электролиза). Законы, количе­ственно описывающие процессы протекающие на электродах при электролизе.

Первый закон. Масса веществ, выделившихся на электродах при пропускании постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита, прямо пропорциональна силе тока (I) (в амперах) и времени электролиза (t) (в секундах) и зависит от при-роды вещества:

m = kIt = kq,

где k— константа, q- количество электричества.

Второй закон. При прохождении одинакового количества электричества через различные электролиты массы выделившихся на электродах веществ прямо пропорциональны их эквивалент- ным массам (Э). Данный закон позволил связать константу k с эквивалентной массой вещества. Оба закона Фарадея можно вы- разить формулой: m= F It

где F- число Фарадея. Для обычных расчетов F = 96500 Кл/моль. 146