Лабораторная работа № 8.3 Электролиз растворов электролитов

Цель работы: ознакомление с процессами, протекающими на нерастворимых и растворимых электродах, при электролизе водных растворов электролитов и вторичными процессами при электролизе.

Электролизом называют гетерогенный окислительно-восстановительный процесс, происходящий на электродах в растворах или расплавах электролитов под действием внешнего источника тока. Для осуществления электролиза:

– к отрицательному полюсу внешнего источника электричества подключают электрод, на котором будет происходить процесс восстановления (этот электрод, имеющий отрицательный заряд, называют катодом);

– к положительному полюсу внешнего источника электричества подключают электрод, на котором будет происходить процесс окисления (этот электрод, имеющий положительный заряд, называют анодом);

– электроды предварительно погружают в водный раствор (или расплав) электролита.

Ячейку для электролиза, состоящую из двух электродов, погруженных в раствор (расплав) электролита, называют электролизером.

Продукты окисления – восстановления или поглощаются на поверхности электродов (металлы), или выделяются в виде газов, или вступают в реакцию между собой и с другими веществами, находящимися в растворе, образуя вторичные продукты электролиза.

Процессы, протекающие в ходе электролиза на поверхности анода и катода, определяются свойствами электролита, растворителя и материала электрода.

Аноды бывают следующих типов:

– инертные аноды, которые изготавливают из химически инертного материала (платина, графит);

– растворимые аноды (Cu, Ag, Zn, Cd и др.), которые при электролизе разрушаются (переходят в раствор в виде катионов).

При электролизе расплавов в окислительно-восстановительных процессах участвуют только частицы данного электролита. На катоде восстанавливаются его катионы, а на аноде окисляются анионы.

При электролизе водных растворов электролитов в окислительно-восстановительных процессах на электродах участвуют не только ионы электролита, но и ионы воды.

Порядок разрядки катионов у катода: На катоде (К^-) в первую очередь восстанавливаются катионы с более положительным электродным потенциалом, обладающие большей окислительной способностью (стоящие после водорода в ряду напряжений).

При электролизе водных растворов солей активных металлов, стоящих в ряду напряжений от Li до Al включительно, на катоде восстанавливаются ионы водорода, а начиная с марганца – катионы самих металлов.

Порядок разрядки анионов у анода: На аноде в первую очередь окисляются анионы с меньшим электродным потенциалом, обладающие большей восстановительной способностью (табл. 8.5).

Таблица 8.5 – Стандартные электродные потенциалы анионов, В

При электролизе водных растворов солей бескислородных кислот (кроме фтористоводородной) на аноде окисляются кислотные остатки, а при электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот – гидроксид-анионы (OH^–) из воды.

Ниже рассмотрены примеры записи процессов электролиза:

Пример 1. Электролиз водного раствора Na₂SO₄ на инертных (угольных) электродах.

В растворе сульфата натрия присутствуют ионы Na⁺ и SO₄^-2 и молекулы воды.

Всоответствии с последовательностью разрядки ионов на катоде и на аноде проходят следующие процессы:

Таким образом, при электролизе раствора Na₂SO₄ на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород. Вблизи катода образуется раствор щелочи NaOH, а вблизи анода – раствор H₂SO₄. Если катодное и анодное пространство отделены перегородкой, то можно получить все продукты электролиза в соответствии с уравнением

2Na₂SO₄ + 6H₂O = 2H₂↑ +O₂↑+4NaOH + 2H₂SO₄.

Пример 2. Электролиз водного раствора CuSO₄ с медным (растворимым) анодом.

Из раствора сульфата меди на катоде могут восстанавливаться ионы Cu²⁺ (E⁰_Cu = +0,34 B) и молекулы воды (E⁰_H2O = -0,84 B). Большей окислительной способностью обладают ионы меди, поэтому они восстанавливаются в первую очередь.

На аноде возможны следующие процессы:

2SO₄^2- – 2ē = S₂O₄^2- E₁ = +2,05 B;

2H₂O – 4ē = O₂ + 4H⁺ E₂ = +1,23 B;

Cu⁰ – 2ē = Cu²⁺ E₃ = +0,34 B.

При сравнении окислительно-восстановительных потенциалов этих процессов видно, что потенциал медного анода имеет меньшее значение, следовательно, на аноде окисляется медь, т.е. материал самого анода.

Процесс электролиза в этом случае сводится к выделению меди на катоде и постоянному растворению медного анода.

Опыт 1. Электролиз раствора иодида калия с нерастворимыми электродами

Реактивы: 0,1 М раствор иодида калия KI, раствор фенолфта-леина.

Посуда и оборудование: U-образная трубка, два угольных электрода с проводками, источник постоянного тока.

Методика проведения опыта: В U-образную трубку налейте до половины раствор иодида калия. В оба колена добавьте по 3-4 капли раствора фенолфталеина. Вставьте в оба колена угольные электроды. Левый электрод соедините с отрицательной клеммой выпрямителя, а правый – с положительной. Подключите ток.

Какие изменения наблюдаете в электролите у катода и у анода? Составьте схему электролиза раствора иодида калия и укажите реакцию среды (рН) в катодном и анодном пространствах. Напишите уравнения электродных процессов, проходящих на катоде и аноде, и общее молекулярное уравнение процесса электролиза.

Опыт 2. Электролиз водного раствора сульфата натрия с нерастворимыми электродами

Реактивы: 0,1 М раствор сульфата натрия Na₂SO₄, индикатор метиловый оранжевый (имеет красную окраску в кислой среде, оранжевую – в нейтральной, бледно-желтую – в щелочной).

Посуда и оборудование: U-образная трубка, два угольных электрода с проводками, источник постоянного тока.

Методика проведения опыта: В U-образную трубку залейте до половины раствор сульфата натрия. В оба колена добавьте по 2-3 капли раствора индикатора. Вставьте в оба колена угольные электроды, соединив их с клеммами выпрямителя. Подключите ток. Наблюдайте изменение окраски раствора электролита у катода и анода.

Составьте схему электролиза и укажите реакцию среды (pH) в анодном и катодном пространствах. Напишите уравнения электродных процессов, проходящих на катоде и аноде, и общее молекулярное уравнение процессов на катоде и аноде и общее молекулярное уравнение процесса электролиза. Объясните влияние вторичных процессов на ожидаемые продукты при изученном процессе электролиза.

Опыт 3. Электролиз раствора сульфата меди с нераствори-мыми электродами

Реактивы: 0,1 М раствор сульфата меди CuSO₄.

Посуда и оборудование: U-образная трубка, два угольных электрода с проводками, источник постоянного тока.

Методика проведения опыта: В U-образную трубку налейте до половины раствор сульфата меди. В оба колена опустите угольные электроды, соединенные с выпрямителем. Выпрямитель подключите в сеть. В течение 3-4 мин через электролит пропустите ток.

Отметьте, что выделяется на электродах. Составьте схему электролиза раствора сульфата меди.

Напишите уравнения электродных процессов, проходящих на катоде и на аноде, и общее молекулярное уравнение процесса электролиза. Электрод с налетом меди сохраните для опыта 4.

Опыт 4. Электролиз раствора сульфата меди с растворимым медным электродом

Реактивы: 0,1 М раствор сульфата меди CuSO₄.

Посуда и оборудование: U-образная трубка, угольный электрод, медный электрод, источник постоянного тока.

Методика проведения опыта: В U-образную трубку налейте до половины раствор сульфата меди. В одно колено погрузите угольный электрод и соедините его с отрицательной клеммой выпрямителя. В другое колено погрузите электрод с отложившейся медью (полученный в опыте 3) и соедините его с положительной клеммой выпрямителя. Выпрямитель включите в сеть и пропустите в течение 5-6 мин электрический ток.

Что наблюдаете на катоде и на аноде? Составьте схему электролиза раствора сульфата меди с медным анодом.

Напишите уравнения электродных процессов, проходящих на катоде и аноде. Объясните, почему на растворимом медном аноде окисляется медь.