Интернет-журнал 'Домашняя лаборатория', 2007 №6 - Вязовский

Н2O + ē —> Н + ОН-

Атомы водорода после рекомбинации выделяются в виде молекулярного водорода:

2Н —> Н2

Разряд ионов натрия из водных растворов на твердом катоде невозможен вследствие более высокого потенциала их разряда по сравнению с водородом. Поэтому остающиеся в растворе гидроксильные ионы образуют с ионами натрия раствор щелочи. Процесс разложения NaCl можно выразить следующими реакциями:

2Сl- — 2ē —> Сl2

Н2O + ē = 2Н + ОН-

2Н —> Н2

Просуммировав уравнения, получим:

2Н2O + 2Сl- —> Сl2 + Н2 + 2OН-

или

2Н2O + 2NaCl-—> Сl2 + Н2 + 2NaOH

То есть на аноде идет образование хлора, а у катода — водорода и едкого натра. При электролизе наряду с основными описанными процессами могут протекать и побочные, один из которых описывается уравнением (а). Помимо этого, хлор, выделяющийся на аноде, частично растворяется в электролите и гидролизуется по реакции

Сl12 + Н2O <-> НOСl + НСl

В случае диффузии щелочи (ионов ОН-) к аноду или смешения катодных и анодных продуктов хлорноватистая и соляная кислоты нейтрализуются щелочью с образованием гипохлорита и хлорида натрия:

НОС + NaOH = NaOC + Н2O

НСl + NaOH = NaCl + Н2O

Ионы СlO- на аноде легко окисляются в СlO3-. Следовательно, из-за побочных процессов при электролизе будут образовываться гипохлорит, хлорид и хлорат натрия, что снижает выход по току и коэффициент использования энергии. В щелочной среде облегчается выделение кислорода на аноде, что также будет ухудшать показатели электролиза. Чтобы уменьшить протекание побочных реакций, следует создать условия, препятствующие смешению катодных и анодных продуктов. К ним относятся разделение катодного и анодного пространств диафрагмой и фильтрация электролита через диафрагму в направлении, противоположном движению ОН”-ионов к аноду. Такие диафрагмы называются фильтрующими диафрагмами и выполняются из асбеста.

Экспериментальная часть

Электролиз проводился при силе тока 2 А. Электролизер состоял из стеклянной электролитической ванны и графитовых электродов.

Наблюдения

1. На аноде интенсивное выделение газа, на катоде образование бурого окрашивания. Почувствовали характерный запах йода. После добавления крахмала раствор окрасился в синий цвет, что еще раз доказало присутствие йода.

2. На аноде образование свинца плоскими лепестками, на катоде выделение газа.

3. На обоих электродах выделение газа, на катоде процесс газообразования идет интенсивнее. Это связано с тем, что на катоде выделяется водород, количество которого 2 моль, а на аноде кислород с количеством 1 моль.

4. На обоих электродах выделение газа, почувствовали характерный запах хлора. На катоде образовался белый налет металлического цвета.

Объяснения:

Продукты электролиза зависят от электродного потенциала окислительно-восстановительных реакций, протекающих при электролизе.

На катоде восстанавливаются, в первую очередь те элементы, потенциал которых наибольший.

По восстановительной активности все металлы можно разделить на три группы:

1 группа. (Сu, Аg, Аu) — малоактивные металлы (φ > 0).

Т.к. катионы этих металлов обладают более высокой окислительной способностью, чем ионы водорода Н+, на катоде при электролизе водных растворов соответствующих солей осаждаются только эти металлы.

2 группа. (Mn, Zn, Fe, Sn) — металлы, восстановление которых на катоде сопровождается выделением водорода. (-1 < φ < 0).

3 группа. (Са, Na, Mg, Al) — металлы, которые не могут быть восстановлены на катоде электролизом водных растворов их солей (ср<-1). При этом на катоде выделяется водород.

На аноде окисляются, в первую очередь те элементы, потенциал которых наименьший.

Ионы S2-, J-, Br-, Сl- окисляются в указанной последовательности в первую очередь, а затем кислород из воды.

Анион F- и анионы кислородсодержащих кислот, в которых центральный атом имеет высшую степень окисления: ((SO42-), (NO3-), (СO3-), (РO43-), (МnO4-), (СlO4-)) не окисляются. Вместо них на аноде окисляется растворитель — вода.

Заключение

Анализ научной и научно-популярной литературы свидетельствует о том, что процессы электролиза растворов и расплавов интересуют ученых и технологов в настоящее время, то есть данная тема не потеряла своей актуальности и практической значимости.

Электролиз широко используют в промышленности для выделения и очистки металлов, получения щелочей, хлора, водорода.

Алюминий, магний, натрий, кадмий, кальций, бериллий, титан получают только электролизом расплавов, т. к. потенциалы их выделения из водных растворов более отрицательны, чем потенциал выделения водорода.

Очистку меди, никеля, свинца проводят целиком электрохимическим методом. Производство фтора основано на электролизе расплавленной смеси фторида калия и фтороводородной кислоты, хлора — при электролизе водных растворов или расплавов хлоридов. Водород и кислород высокой степени чистоты получают электролизом водных растворов щелочей. Таким образом, с помощью электролиза удается осуществлять реакции окисления и восстановления с большим выходом и высокой селективностью, которые в обычных химических процессах трудно достижимы.

Важной отраслью применения электролиза является защита металлов от коррозии: при этом электрохимическим методом на поверхность металлических изделий наносится тонкий слой другого металла (хрома, серебра, меди, никеля, золота) устойчивого к коррозии.

Отличительной особенностью электролиза растворов или расплавов электролитов является возможность протекания на электродах совокупности конкурирующих химических реакций окисления и восстановления. Оказывает влияние на продукты электролиза и материал электродов.

При электролизе водных растворов электролитов окислительно-восстановительные процессы на катоде и аноде зависят от окислительной способности катионов и характера аниона электролита.

Процессы восстановления и окисления на катоде и аноде определяются значениями электродных потенциалов частиц, принимающих участие в электролитических процессах. На катоде в первую очередь разряжаются те частицы, потенциал которых наиболее положителен, тогда как на аноде — частицы — потенциал которых наиболее электроотрицателен. Кроме того, при протекании электролиза необходимо учитывать фактор электродного перенапряжения — поляризацию электрода, определяемую замедленным протеканием определенной стадии суммарного электродного процесса. В зависимости от природы замедленной стадии можно говорить о различных видах перенапряжения (концентрационное, реакционное, диффузное).

В экспериментальной части своей работы нами были проведены процессы электролиза растворов ряда солей. Полученные продукты подтверждают основные теоретические положения процессов электролиза водных растворов электролитов и доказан факт влияния электродных потенциалов частиц, принимающих в нем участие, на состав конечных продуктов.

На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:

• Исследование процессов электролиза растворов и расплавов электролитов не потеряло своей актуальности и в настоящее время, т. к. не только обогащает теоретические положения об этом достаточно сложно физико-химическом явлении, но и позволяет определить перспективные направления практического использования этого процесса с целью получения целевых продуктов с заданными