Электролиз

Цель работы: опытным путем изучить электролиз растворов солей.

Теоретическая часть.

Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах, при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита. Это не самопроизвольный процесс, для осуществления химической реакции требуется электрическая энергия. Сущность электролиза заключается в том, что на катоде происходит процесс восстановления, а на аноде - процесс окисления. Процессы, протекающие на электродах, зависят как от электролита, так и от вещества, из которого сделан анод.

Различают два вида анодов: растворимые и нерастворимые.

Нерастворимый, или инертный, анод не изменяется в процессе электролиза, играет роль передатчика электронов (графит, уголь, платина и др.).

Растворимый или активный анод в процессе электролиза окисляется (медь, железо, кобальт и др.): Ме^о-nē=Мeⁿ⁺

На электродах легче всего протекают процессы, требующие минимальной затраты энергии.

На катоде быстрее восстанавливаются ионы, молекулы, атомы, имеющие наибольшее значение электродного потенциала.

Практическая последовательность восстановления на катоде при электролизе водных растворов:

1) ионы металлов от конца ряда напряжений до цинка: Аи^3+.........Zn²⁺ по уравнению:ēМеталл при этом выделяется в свободном виде.

2) молекулы воды: 2Н₂О + 2ē = Н₂↑ + 2ОН^-

Если в растворе одновременно находятся катионы нескольких металлов, то при разных концентрациях их в первую очередь на катоде разряжаются ионы того металла, у которого больше величина электродного потенциала.

Например, если в растворе одновременно присутствуют в равных концентрациях различные катионы (Zn²⁺, Au³⁺, Cu²⁺, Fe²⁺), то, в соответствии с величинами их электродных потенциалов, катионы будут восстанавливаться в следующей последовательности: Au³⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺.

На аноде легче всего окисляются ионы, молекулы, атомы, имеющие наименьшее значение электродного потенциала.

Практическая последовательность окисления на аноде при электролизе водных растворов:

а) анод - инертный :

1) анионы бескислородных кислот: Se^2-, S^2-, I^-, Вг^-, Сl^- (кроме F^-) до соответствующих соединений в свободном виде Se, S, I₂, Br₂, Cl₂↑;

2) молекулы воды; 2Н₂О - 4ē = О₂↑ + 4Н⁺

б) анод — активный:

окисляется сам анод: Ме^о-nē=Мeⁿ⁺

Схема электролиза некоторых солей.

1. Электролиз расплава хлорида магния с инертным анодом.

Расплав содержит ионы магния Mg²⁺ и хлорид-ионы CI^-, при пропускании тока ионы магния перемещаются к катоду, а хлорид-ионы - к аноду. Принимая от катода по два электрона, ионы магния превращаются в нейтральные атомы, выделяющиеся из расплава. Катод постепенно покрывается магнием.

Хлорид-ионы, достигая анода, отдают ему электроны и превращаются в атомы хлора. У анода выделяется хлор.

Схематически процесс электролиза расплава хлорида магния можно изобразить: MgCI₂ = Mg²⁺ + 2Cl^-

(-) Катод: Mg²⁺ + 2ē = Mg°

(+) Анод:2Сl^--2ē = С1₂↑

Суммарная реакция: MgCI₂ = Mg + CI₂↑

2. Электролиз раствора нитрата калия с инертным анодом.

Раствор содержит ионы калия К⁺, нитрат-ионы NO₃^-, молекулы воды. В соответствии с последовательностью разрядки на аноде и катоде будут протекать следующие процессы:

K⁺ (+) Катод: 2Н₂О + 2ē = H₂↑+ 2ОН^-

NO₃^- (-) Анод: 2Н₂О - 4ē = О₂↑ + 4Н⁺

В прикатодном пространстве будет образовываться щелочь KOH, а в прианодном – кислота HNO₃.

Суммарная реакция в молекулярно-ионном виде:

6Н₂О = 2Н₂↑ + О₂↑+ 4ОН ^- + 4Н⁺

В молекулярном виде:

4KNO₃ + 6Н₂О = 2Н₂↑ + О₂↑ + 4КOН + 4HNO₃

3. Электролиз раствора сульфата никеля с никелевым анодом.

В соответствии с последовательностью разрядки на аноде и катоде будут протекать следующие процессы:

(-) Анод: Ni⁰ - 2ē = Ni²⁺

(+) Катод: Ni²⁺ + 2ē = Ni⁰

Весь процесс сводится к выделению никеля на катоде и постепенному растворению никелевого анода. Количество сульфата никеля в растворе остается неизменным.

Практическая часть

Электролиз водных растворов проводится в приборе, представленном на рисунке 10.1. В качестве инертных электродов используются графитовые стержни карандашей.

Рис. 9.1. Прибор для проведения электролиза

1 -U - образный сосуд с раствором электролита,

2 - электроды,

3 - токопроводящие проволоки.

4 - ИСТОЧНИКпостоянного ТОКа

Опыт №1. Электролиз с нерастворимыми электродами.

Электролизер (U - образную трубку) наполните, не доходя до краев ~ 1см, раствором соли, указанном в задании. Опустите в оба колена трубки электроды, включите прибор, отметьте все видимые изменения. Напишите уравнения катодного и анодного процессов, суммарное уравнение в ионно-молекулярном и молекулярном виде.

Идентификация продуктов, образующихся при электролизе солей

на аноде:

1. Хлор – газ - определяется по резкому запаху, при появлении первых признаков которого прибор следует выключить.

2. Йод определяется по появлению коричневой окраски, характерному запаху, с помощью йодкрахмальной индикаторной бумаги.

З. Кислород - газ без запаха.

на катоде:

1. Водород - газ без запаха.

2. Если на катоде не выделяется водород, то осаждается металл в виде красноватого налета (медь), блестящих игольчатых кристаллов (цинк, свинец) и т.д.

Опыт №2. Электролиз с активным анодом.

Опыт выполняется аналогично опыту №1. Один графитовый электрод заменяется металлическим (железо, алюминий, цинк, медь), который подключается к положительному полюсу внешнего источника. Раствор соли для электролиза взять из опыта №1 по указанию преподавателя.

Указания по технике безопасности

1. Настоящая работа имеет повышенную опасность, так как в ней применяется электрический ток.

2. Присоединять прибор к источнику тока только после того, когда электроды вставлены в раствор.

3. Не прикасайтесь к открытым токоведущим частям.

Лабораторная работа № 10