Електроліз розплавів

Під час електролізу розплавів електролітів на катоді завжди відновлюються катіони металу, а на аноді окислюються аніони.

Електроліз розплаву NaCl.

NaCl → Na⁺+Cl^-

K(-) Na⁺+1e → Na⁰

A(+)2Cl^- - 2 e → Cl₂⁰

2NaCl → 2Na + Cl₂

Електроліз розчинів

Під час електролізу водних розчинів поряд з катіонами та аніонами в електрохімічних реакціях можуть брати участь молекули води. Щоб визначити, які частинки братимуть участь в катодних і анодних процесах слід враховувати:

а) катодні (відновні) процеси. На катоді відбувається відновлення катіонів металів і Гідрогену або молекул води.

Характер відновного процесу залежить від значення стандартного електродного потенціалу металу:

Катодні процеси (таблиця 1)

Li,Cs,K,Ba,Ca,Na,Mg,Al	Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Pb	Bi, Cu, Ag, Hg, Pt, Au
Катіони цих металів не відновлюються, а віднов-люються молекули води: 2Н2О+2е→Н2+2ОН^-	Катіони цих металів від-новлюються одночасно з молекулами води, а тому на катоді виділяється і Н2, і метал. Ме^+ + е → Ме^0 2Н2О+2е→Н2+2ОН^-	Катіони цих металів легко і повністю відновлюються на катоді. Ме^+ + е → Ме^0

б) анодні (окисні) процеси. При електролізі розчинів використовують розчинні і нерозчинні – з цинку, міді, нікелю та інших металів.

На нерозчинному аноді відбуваються окиснення аніонів або молекул води.

Анодні процеси (таблиця 2)

Cl^-, Br^-, I^-, S^2-, CN^-	SO4^2-, NO2^-, NO3^-, PO4^3-
Аніони кислот, що не містять атоми Оксигену (за винятком F^-), легко окислюються: 2Cl^- ^—2e → Cl2↑	Аніони кислот, що містять атоми Оксигену, не окислюються, а окислюється вода: 2Н2О - 4е → О2↑ + 4Н^+

Електроліз розчину СuSO₄.

СuSO₄ → Cu²⁺ + SO₄^2-; H₂O= Н⁺ + OH^-

K(-) Cu²⁺+2e → Cu⁰

A(+)2Н₂О - 4е → О₂⁰↑ + 4Н⁺

2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + О₂↑ + 4Н₂SO₄

Електроліз розчину КСl.

KCl → K⁺ + Cl^-; H₂O= Н⁺ + OH^-

K(-)2Н₂О+2е→Н₂⁰↑+2ОН^-

A(+)2Cl^-—2e → Cl₂⁰↑

2KCl + 2H₂O →Н₂⁰↑+ Cl₂⁰↑+2KОН

Електроліз розчину Na₂SO₄.

Na₂SO₄→2Na⁺ + SO₄^2-; H₂O= Н⁺ + OH^-

K(-)2Н₂О+2е→Н₂⁰↑+2ОН^-

A(+)2Н₂О - 4е → О₂⁰↑ + 4Н⁺

Na₂SO₄ +4H₂O →Н₂↑+2NaОН + О₂↑ + 2Н₂SO₄

Кількісно процеси електролізу визначаються законами, встановленими Майклом Фарадеєм

1. Маса речовин, яка окиснюється на аноді або відновлюється на катоді, пропорційна кількості електрики, що пройшла через розчин, і практично не залежить від інших факторів.

2. Кількості речовин, які окиснюються або відновлюються на електродах при пропусканні однієї і тієї ж самої кількості електрики, пропорційна їх хімічним еквівалентам.

3. Для виділення з розчину електроліту одного грам–еквівалента будь-якої речовини потрібно пропустити через розчин 96500 кулонів електрики.

де m_(x) – маса відновленої чи окисненої речовини (г);

Е – хімічний еквівалент відновленої чи окисненої речовини;

Q – кількість кулонів електрики, яка проходить через електроліт;

F – стала Фарадея (96500 Кл/моль).

Враховуючи, що кількість електрики Q дорівнює добутку сили струму І на час t в секундах, вище наведену формулу можна виразити так:

де m_(x) – маса відновленої чи окисненої речовини (г);

Е – хімічний еквівалент відновленої чи окисненої речовини;

I – сила струму, що пропускається, (А);

t – час електролізу (с);

F – стала Фарадея (96500 Кл/моль).

Еквівалент речовини (Х) ми можемо знайти за формулою:

Е – хімічний еквівалент відновленої чи окисненої речовини;

M_(x) – молярна маса;

n – число придбаних чи відданих в окисно-відновних реакціях електронів.

Виходячи з цієї формули, можна робити ряд розрахунків, зв'язаних із процесом електролізу, наприклад:

1. Обчислювати маси речовин, що виділяються чи розкладаються визначеною кількістю електрики;

2. Знаходити силу струму за масою речовини, що виділилася, і часу, витраченому на її виділення;

3. Установлювати, скільки часу буде потрібно для виділення визначеної кількості речовини при заданій силі струму.

Приклад 1

Скільки грамів міді виділиться на катоді при пропущенні через розчин купрум сульфату СuSO₄ струму силою 5 А протягом 10 хв.?

Розв'язання

Визначимо кількість минулої через розчин електрики:

Q = I ∙ t,

де I – сила струму в амперах;

t – час у секундах.

Q = 5A 600 с = 3000 Кл

Еквівалент міді (ат. маса 63,54) дорівнює 63,54:2 = 31,77. Отже, 96500 Кл виділяють 31,77 г міді. Шукана кількість міді:

m = (31,77 ∙ 3000) / 96500 » 0,98 г

Приклад 2

Скільки часу потрібно пропускати через розчин кислоти струм силою 10 А, щоб одержати 5,6 л водню (за н.у.)?

Розв'язання

Знаходимо кількість електрики, що повинна пройти через розчин, щоб з нього виділилося 5,6 л водню. Так як 1 г–екв. водню займає при н.у. об'єм 11,2 л, та шукана кількість електрики

Q = (96500 5,6) / 11,2 = 48250 Кл

Визначимо час проходження струму:

t = Q / I = 48250 / 10 = 4825 з = 1 ч 20 хв 25 с

Приклад 3

При пропущенні струму через розчин срібної солі на катоді виділилося за 10 хв. 1 г срібла. Визначите силу струму.

Розв'язання

1 г–екв. срібла дорівнює 107,9 г. Для виділення 1 г срібла через розчин повинно пройти 96500 : 107,9 = 894 Кл. Звідси сила струму

I = 894 / (10 ∙ 60)» 1,5A

 Приклад 4

Знайти еквівалент олова, якщо при струмі 2,5 А з розчину SnCl₂ за 30 хв. виділяється 2,77 г олова.

Розв'язання

Кількість електрики, що пройшла через розчин за 30 хв.

Q = 2,5 30 60 = 4500 кулонів

Для виділення 1 г–екв. потрібно 96500 Кл, то еквівалент олова

 Е_Sn = (2,77 ∙ 96500) / 4500 = 59,4