Электролиз

Электролизом называют процессы, происходящие на электродах под действием электрического тока, подаваемого от внешнего источника.

При электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую.

Ячейка для электролиза, называемая электролизер, состоит из двух электродов и электролита.

Электрод, на котором идет реакция восстановления (катод), у электролизера подключен к отрицательному полюсу внешнего источника тока.

Электрод, на котором протекает реакция окисления (анод), подключен к положительному полюсу источника тока.

Электролиз расплава NaCl:

NaCl ® Na⁺ + Cl^-

к катоду к аноду

(-) Катод (восстановление): Na⁺ + ℮ ® Na⁰

(+) Анод (окисление): Cl^- - ℮ ® ½ Cl⁰₂

NaCl ® Na⁰ + ½ Cl₂

Электролиз водных растворов:

На катоде будут восстанавливаться окисленные формы электрохимических систем, имеющих наибольший электродный потенциал, а на аноде будут окисляться восстановленные формы систем с наименьшим электродным потенциалом.

Катодные процессы:

Необходимо учитывать величину электродного потенциала процесса восстановления ионов водорода: j = -0, 059∙ РН.

В случае нейтральных растворов (РН = 7):

j = -0, 059∙ 7 = -0, 41В.

Поэтому:

1) при электролизе растворов солей, содержащих катионы металла, электродный потенциал которого значительно положительнее, чем -0, 41В, из нейтрального раствора такого электролита на катоде будет восстанавливаться металл. Такие металлы находятся в ряду напряжений вблизи водорода (начиная приблизительно от олова и после него);

2) при электролизе растворов солей, содержащих катионы металла, электродный потенциал которого значительно более отрицательный, чем -0, 41В, металл восстанавливаться на катоде не будет, а произойдет выделение водорода. К таким металлам относятся щелочные, щелочноземельные, магний, алюминий, приблизительно до титана;

3) при электролизе растворов солей, содержащих катионы металла, электродный потенциал которого близок к величине -0, 41В (металлы средней части ряда – Zn, Cu, Fe, Cd, Ni), в зависимости от концентрации раствора соли и условий электролиза (плотность тока, температура, состав раствора), возможно как восстановление металла, так и выделение водорода; иногда наблюдается совместное выделение металла и водорода.

В кислых растворах: 2Н⁺ +2℮ ® H₂­

В нейтральных или щелочных растворах: 2Н₂О + 2℮ ® H₂­ + 2OH^-

Анодные процессы:

Характер реакций, протекающих на аноде, зависит как от присутствия молекул воды, так и от вещества, из которого сделан анод.

Материал анода в ходе электролиза может окисляться. В связи с этим различают электролиз с инертным (нерастворимым) анодом и электролиз с активным (растворимым) анодом.

Нерастворимые аноды изготавливаются из угля, графита, платины, иридия.

Растворимые аноды изготавливаются из меди, серебра, цинка, кадмия, никеля и других металлов.

1) На инертном аноде при электролизе водных растворов щелочей, кислородсодержащих кислот и их солей, а также фтороводорода и фторидов происходит электрохимическое окисление воды с выделением кислорода.

В щелочной среде: 4ОН^- = О₂ + 2Н₂О + 4℮.

В кислой и нейтральной среде: 2Н₂О = О₂ + 4Н⁺ + 4℮.

Пример: 2SO^2-₄ = S₂O^2-₈ + 2℮ j^o = +2, 01В

2H₂O = O₂ + 4H⁺ + 4℮ j^o = +1, 23В

2) При электролизе водных растворов бескислородных кислот и солей (кроме HF и фторидов) у анода разряжаются анионы. При электролизе растворов HI, HBr, HCl и их солей у анода выделяется соответствующий галоген.