storinka.click

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:

• що називають електролізом;

• які процеси відбуваються на катоді і аноді;

• у чому полягає подібність і відмінність процесів, що відбуваються в гальванічному елементі й електролізері.

Окисно-відновні реакції, що відбуваються під дією електричного струму на електродах, занурених у розчин або розплав електроліту, називають електролізом. Аноди бувають активні (розчинні) та інертні. У розчин або розплав з активного анода переходять йони металічного елемента, з якого він виготовлений (крім Pt), а крізь інертний анод переходять електрони. Його виготовляють із графіту або платини.

Електроліз розплавів електролітів. Процес проводять за участі графітових електродів. За високих температур розплав солі, наприклад KCl, розкладається на йони:

Під час пропускання електричного струму крізь розплав відбуваються такі процеси:

а) направлене переміщення катіонів Калію до катода, а аніонів Хлору до анода;

б) відновлення катіонів K⁺ на катоді:

в) окиснення аніонів Cl на аноді:

Сумарне рівняння процесу електролізу має такий вигляд:

Електроліз водних розчинів електролітів. Цей процес відбувається дещо складніше, ніж електроліз розплавів, через те що в ньому можуть брати участь і молекули води:

Коли на тому самому електроді можуть відбуватися два або більше процесів, то, першою чергою, на катоді відновлюються катіони металічних елементів з найбільшим значенням електродного потенціалу (табл. 7), а на аноді окиснюються аніони з найменшим електродним потенціалом (табл. 8).

Таблиця 7

Стандартні електродні потенціали (В) деяких систем типу Meⁿ⁺/Me° у водних розчинах

Таблиця 8

Стандартні електродні потенціали (В) деяких систем типу Anⁿ/An° у водних розчинах

Щоб правильно визначитися із закономірностями процесів, які відбуваються під час електролізу водних розчинів електролітів, треба брати до уваги таке:

1) н а катоді:

• катіони металічних елементів, що в ряду СЕП стоять від літію до алюмінію включно, не відновлюються; замість них відновлюються молекули води:

• катіони металічних елементів, що в ряду СЕП стоять між алюмінієм і воднем, відновлюються одночасно з молекулами води:

• катіони металічних елементів, що в ряду СЕП стоять після водню, відновлюються без участі молекул води:

2) на інертному аноді (нерозчинному, виготовленому з графіту, вугілля або платини):

• першою чергою, окиснюються прості аніони складу S^2-, I^-, Br^-, Cl^-:

• аніони оксигеновмісних кислот

не окиснюються, окиснення зазнають лише молекули води:

• у лужних розчинах на аноді окиснюються лише гідроксид-іони:

3) у разі використання розчинних анодів (виготовлених із цинку, нікелю, міді, срібла, тобто металів, що стоять у ряду стандартних електродних потенціалів після алюмінію) окис-нюється сам метал, з якого виготовлений анод:

Демонстраційний дослід

• Електроліз розчину купрум(ІІ) хлориду Дослід проводять у витяжній шафі!

Заповнюють прилад для проведення електролізу розчином купрум(ІІ) хлориду. В обидва коліна приладу занурюють графітові електроди та під’єднують їх мідними провідниками до електричної батарейки (рис. 29). Що спостерігаємо? На катоді з’являються блискучі червоні частинки міді. Окиснення чи відновлення міді відбувається на катоді? Запишемо рівняння катодного процесу:

Доведемо, що на аноді утворюється хлор. Для цього відключимо прилад від електричної батарейки після 4-5 хв електролізу. Витягують анод з електролізера й додають в анодний простір по 3-4 краплі розчину калій йодиду та крохмального клейстеру. Що спостерігаємо? Синє забарвлення внаслідок процесу:

Запишемо схему процесу електролізу водного розчину купрум(ІІ) хлориду:

• Електроліз розчину калій йодиду

У конічну пробірку наливають на 3/4 її об’єму розчин калій йодиду й додають 5-6 крапель розчину фенолфталеїну та крохмального клейстеру. Утворений розчин перемішують і виливають в електролізер. Занурюють у нього графітові електроди та під’єднують їх до батарейки.

Звертають увагу на зміну забарвлення розчину поблизу електродів. Зміна кольору фенолфталеїну на малиновий свідчить про появу лужного середовища поблизу катода, а синє забарвлення розчину поблизу анода — про появу йоду I₂, який змінює колір крохмального клейстеру.

Запишемо схему процесу електролізу водного розчину калій йодиду:

Йон K+ як утворений металом, що розташований у ряду СЕП перед манганом (Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, Mg, Al), на катоді не відновлюється — відновлюються молекули води.

Електроліз води

Оскільки вода практично не розпадається на йони: H₂O ^ H+ + OH^-, вона не проводить електричного струму. Для підвищення електропровідності в ній розчиняють деякі електроліти, наприклад натрій сульфат, що добре дисоціює на йони Na+ та SO4^-, які не беруть участі в процесі електролізу. Для проведення електролізу води змішують в конічній пробірці розчин натрій сульфату (приблизно половину її об’єму) з нейтральним розчином лакмусу (1/4 об’єму пробірки). Виливають одержаний розчин в електролізер. Пропускають крізь нього електричний струм і звертають увагу на зміну забарвлення індикатора біля обох електродів. Які речовини виділяються на аноді та катоді? Чому змінюється забарвлення лакмусу в катодному та анодному просторах?

Запишемо схему процесу електролізу води за наявності в розчині Na₂SO₄:

Йон Na+ як утворений металом, що розташований у ряду СЕП (витис-кувальному ряду) перед манганом, під час електролізу водних розчинів на катоді не відновлюється, а відновлюються молекули води.

Застосування електролізу. За допомогою електролізу є можливість одержувати сильні окисники та відновники: H₂ і O₂ — із води, Cl₂ — із водних розчинів NaCl, F₂ — із розплаву KF, дуже чисті метали, металічні порошки із заданими властивостями.

На принципі електролізу ґрунтуються різноманітні способи обробки поверхні металів: електрополірування сталевих виробів, оксидування (покриття металів, наприклад алюмінію або магнію, оксидними плівками), що значно підвищує стійкість металів до корозії в певному середовищі.

А чи можливий зворотний процес — перетворення хімічної енергії на електричну?

Явища, на яких ґрунтується робота гальванічних елементів та процес електролізу, покладені в основу роботи приладів, що дозволяють накопичувати електричну енергію за рахунок хімічної. Гальванічні елементи не спроможні виступати як джерела електричної енергії протягом тривалого часу, оскільки маса речовин, які зазнають перетворень у процесі їхньої роботи, є обмеженою. Однак цю здатність подібного джерела електричної енергії можна відновити, якщо крізь нього пропустити електричний струм від зовнішнього джерела. Такі гальванічні елементи зворотної дії називають акумуляторами.

Існують декілька видів акумуляторів, наприклад залізо-нікелеві, кадмій-нікелеві. Найбільш поширений свинцевий. Він складається із занурених у розчин сульфатної кислоти (з масовою часткою 30 %) свинцевого електрода та електрода зі свинцю, вкритого шаром плюмбум(^) оксиду. У процесі роботи акумулятора на електроді без покриття (аноді) відбувається реакція окиснення:

На електроді, вкритому окисником PbO₂ (катоді), відбувається процес відновлення:

Сумарне рівняння реакцій можна подати в такому вигляді:

Якщо крізь розряджений акумулятор пропустити електричний струм від зовнішнього джерела, то його можна знову зарядити. При цьому на катоді відбувається процес відновлення йонів Pb²+ до металевого свинцю:

а на аноді — процес окиснення йонів Pb²+ до плюмбум(^) оксиду:

Сумарний хімічний процес можна описати таким рівнянням:

Приклади розв’язування задач

Приклад 1. Які речовини утворюються на катоді та аноді під час електролізу водних розчинів: а) KCl;

б) NiSO₄; в) AgNO₃; г) NaOH з інертними електродами?

Розв’язання

а) Оскільки калій у ряду СЕП стоїть до алюмінію, на катоді йон K+ не відновлюється, відновлюються молекули води. На аноді окиснюються йони Хлору — безоксигенові аніони.

Електроліз водного розчину KCl:

б) Нікель у ряду СЕП стоїть між Al і H₂, тому на катоді Ni²+ відновлюється одночасно з молекулами води. На аноді сульфат-іони не окиснюються, тому що це — оксигеновмісні аніони. Електроліз водного розчину NiSO₄:

в) На катоді відновлюються тільки йони Аргентуму, тому що в ряду СЕП срібло стоїть після водню H₂. На аноді йони NO₃ не окиснюються, тому що це оксигеновмісні аніони, замість них окиснюються молекули води.

Електроліз водного розчину AgNO₃:

Сумарне рівняння:

г) Через те що натрій у ряду СЕП стоїть до алюмінію, на катоді йон Na+ не відновлюється, а відновлюються молекули води. На аноді в лужних розчинах окиснюються йони OH^-, на відміну від інших оксигеновмісних аніонів

Отже, при електролізі водних розчинів лугів із застосуванням інертних електродів відбувається процес електролізу води з утворенням газоподібних водню та кисню.

Відповідь: а) на катоді — водень, на аноді — хлор; б) на катоді — водень і нікель, на аноді — кисень; в) на катоді — срібло, на аноді — кисень; г) на катоді — водень, на аноді — кисень.

Приклад 2. Які процеси відбуваються під час електролізу водного розчину CuSO₄ з активним мідним анодом?

Відповідь: у цьому випадку на катоді відновлюються катіони Купруму, а на аноді завжди окиснюється матеріал анода — мідь:

Основні поняття. Продукти електролізу розплавів і розчинів електролітів. Акумулятор.

Гемфрі Деві (1778-1829)

Піонером у використанні електричного струму в хімії був англійський хімік, фізик і геолог Гемфрі Деві. Піддаючи електролізу розплави різних сполук, він відкрив шість елементів: Калій, Натрій, Барій, Кальцій, Стронцій і Магній. Це була одна із найважливіших подій в історії хімії.

Для допитливих

Іноді виделки, які використовують у побуті, називають срібними.

Насправді їх виготовляють з нікелю. Покриття зі срібла наносять на нікелеву виделку в процесі електролізу водного розчину, що містить сіль Аргентуму. Катодом є виделка з нікелю, анод виготовляють зі срібла. Це електролізер із розчинним анодом. Позитивно заряджені йони Аргентуму з розчину притягуються до негативно зарядженого катода й відновлюються до срібла:

На срібному аноді відбувається зворотний процес розчинення срібла, тобто його окиснення до йонів Ag+:

У підсумку в результаті проведення такого виду електролізу загальна кількість йонів Аргентуму в розчині не змінюється, а на поверхні виделки утворюється плівка зі срібла.

Запитання та завдання

1. Які процеси відбуваються на катоді та аноді під час електролізу: а) розчину NaCl; б) розплаву KCl?

2. Складіть схему електролізу розчину солі оксигеновмісної кислоти на прикладі ZnSO₄.

3. Складіть схему електролізу розчину цинк сульфату на інертних електродах і складіть рівняння реакцій, що відбуваються на аноді та катоді.

*4. Під час електролізу розплаву натрій хлориду на аноді виділилося 56 л (н. у.) хлору. Яка маса металічного натрію утворилася на катоді?

*5. Під час електролізу розчину калій хлориду на катоді виділився водень масою 6 г. Який газ та якого об’єму (н. у.) виділився на аноді?

*6. Наведіть формули трьох речовин, при електролізі водних розчинів яких відбувається розкладання води.

7. Чи можна здійснити електроліз водних розчинів етилового спирту та сахарози? Чому?

*8. Які речовини утворюються на інертних катоді та аноді під час електролізу водних розчинів таких електролітів: а) KOH; б) H₂SO₄; в) NaCl; г) K₂SO₄; ґ) Fe(NO₈)₈; д) CuCl₂?

*9. Які процеси відбуваються під час електролізу водного розчину AgNO₃ з активним срібним анодом?

Тестові завдання

1. Скільки електронів переходить унаслідок перетворення

А 6 Б 7 В 8 Г 9

2. У якій сполуці Йод має ступінь окиснення -1?

А NaIO

4

Б NaI В NaIO₃ Г NaIO.,

5 6

3. Установіть відповідність між рівнянням реакції, позначеним цифрою, і типом реакції, позначеним буквою:

4. Який з елементів під час цієї ОВР відіграє роль відновника?

А Сульфур Б Гідроген В Бром Г Оксиген

5. Який з елементів у цій ОВР відіграє роль окисника?

А Нітроген Б Бром В Оксиген Г Гідроген

6. У якій з наведених речовин атом Нітрогену має максимальний ступінь окиснення?

?

А N₂

?

Б NO₂

?

В NaNO₂

?

Г Mg(NO₃)₂

7. У реакції за схемою

кожен атом Нітрогену:

А приймає 3е^-Б віддає 3е^-В приймає 8е^-Г віддає 8е^-

8. У реакції за схемою

атом Фосфору:

А віддає 2е^-Б приймає 2е^-В віддає 8е^-Г приймає 8е^-

9. Обчисліть суму стехіометричних коефіцієнтів біля формул вихідних речовин унаслідок ОВР за схемою

А 3 Б 5 В 7 Г 9

10. Укажіть стехіометричний коефіцієнт біля формули окисника в ОВР за схемою

А 9 Б 7 В 5 Г 3

11. Укажіть стехіометричний коефіцієнт біля формули відновника в ОВР за схемою

А 1 Б 2 В 3 Г 4

12. Скільки електронів віддано атомами відновника під час ОВР за схемою

А 7 Б 5 В 3 Г 10

13. Скільки електронів прийнято атомами окисника під час ОВР за схемою

А 2 Б 4 В 6 Г 8

14. Які гази утворюються під час електролізу водного розчину калій хлориду на вугільних електродах?

А HCl і O₂ Б СІ2 і O2 В H2 і СІ2 ^{Г Н}2 ^{і 0}2

15. Скільки всього речовин необхідно вказати, записуючи схему електролізу водного розчину цинк сульфату на вугільних електродах?

А 3 Б 4 В 5 Г 6

16. Який коефіцієнт необхідно поставити перед сріблом, записуючи схему електролізу водного розчину аргентум нітрату на вугільних електродах?

А 2 Б 4 В 6 Г 8

17. Укажіть суму коефіцієнтів перед формулами всіх речовин, які необхідно поставити при написанні схеми електролізу водного розчину кальцій нітрату на вугільних електродах?

А 4 Б 5 В 6 Г 7

18. Яка маса срібла виділиться на катоді в результаті пропускання крізь розчин аргентум(І) нітрату електричного струму силою 10 А протягом 35 хв?

А 19,7 г Б 21,4 г В 23,5 г Г 25,1 г

19. Обчисліть об’єм водню (н. у.), що виділився в результаті електролізу розчину сульфатної кислоти електричним струмом силою 8 А протягом 1,5 години.

А 3,0 л Б 5,0 л В 7,5 л Г 8,7 л

20. Обчисліть час електролізу, який потрібний для виділення заліза масою 50 г із розчину ферум(ІІ) сульфату електричним струмом силою 12 А.

А 4 год Б 2,5 год В 4,8 год Г 3,6 год

Найважливіше в розділі 3

Хімічні реакції, під час яких змінюються ступені окиснення елементів, що входять до складу речовин, які реагують між собою, називають окисно-відновними.

Окиснення — це процес віддавання електронів атомом (йоном або молекулою), який супроводжується збільшенням ступеня окиснення елемента.

Відновлення — це процес приєднання електронів атомом (йоном або молекулою), що супроводжується зниженням ступеня окиснення елемента.

Сукупність процесів окиснення і відновлення (напівреакцій) являє собою окисно-відновну реакцію.

Окисник — це елемент, який приєднує електрони і відновлюється в процесі хімічної реакції.

Відновник — це елемент, який віддає електрони й окиснюється в процесі хімічної реакції.

Елемент, який перебуває в найнижчому ступені окиснення (для атомів металічних елементів він дорівнює нулю; для атомів неметалічних елементів — різниці між номером групи і числом 8), виявляє тільки відновні властивості.

Елемент, що перебуває в найвищому ступені окиснення, який для всіх елементів дорівнює номеру групи елемента в Періодичній системі, зі знаком «+» виявляє тільки окисні властивості.

Коефіцієнти в рівняннях окисно-відновних реакцій визначають методом електронного балансу, згідно з яким кількість електронів, прийнятих окисником, дорівнює кількості електронів, відданих відновником.

До найважливіших окисно-відновних реакцій відносять добування (відновлення) металів з їхніх оксидів; взаємодія мет алів з кислотами, яке супроводжується окисненням металів і відновленням катіона Гідрогену (у випадку кислот-неокисників HCl, HBr, HI, H₂SO₄ розведеної) або атома кислотоутворюючого елемента (у випадку кислот-окисників і, перш за все, HNO₃ розведеної і концентрованої та H₂SO₄ концентрованої); процеси горіння, тобто взаємодії речовин з киснем за певної температури.

Окисно-відновні реакції спричиняють виникнення електричного струму, що використовують у хімічних джерелах постійного струму — гальванічних елементах. В основі їхньої роботи лежить перенесення електронів від відновника до окисника. При цьому на катоді (негативно зарядженому електроді) відбувається процес відновлення, тобто приєднання електронів, а на аноді (позитивно зарядженому електроді) — процес окиснення, тобто віддавання електронів.

Усі метали за зменшенням їхніх відновних властивостей (за здатністю віддавати електрони у водних розчинах) розташовують в один ряд, який називають рядом стандартних електродних потенціалів (СЕП). Це потенціали, які виникають у результаті занурення будь-якого металу в розчин електроліту на межі поділу метал/розчин. У ряду СЕП зліва направо зменшуються відновні властивості металів і збільшуються окисні властивості їхніх йонів.

Кожен метал ряду СЕП здатний витискувати метали, що розташовані праворуч від нього. Метали, що розташовані в ряду СЕП ліворуч від водню, витискують його з розчинів кислот, а найактивніші метали, що розташовані зліва від мангану, витискують його із води.

Електроліз — окисно-відновний процес, що відбувається на електродах під час пропускання електричного струму крізь розчин або розплав електроліту. Його застосовують для одержання найактивніших металів — Na, K, Ca, Mg, а також Al та найактивніших неметалів — ^H2^, ^ ^C^ ^O2.

Кількісні характеристики електролітичних процесів, що відбуваються на електродах під час електролізу, підпорядковуються законам Фарадея, які можна подати загальною формулою

 

Це матеріал з підручника Хімія 9 клас Бутенко (поглиблений рівень)