Электролиз. Электролиз – совокупность окислительно-восстановительных процессов, происходящих при пропускании постоянного электрического тока через раствор или расплав

Электролиз – совокупность окислительно-восстановительных процессов, происходящих при пропускании постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита с погруженными в него электродами.

Прибор, в котором проводят электролиз, называется электролизером.

Электрод, на котором протекают процессы окисления, называется анодом. В электролизере он заряжен положительно (подключен к положительному полюсу внешнего источника постоянного тока).

Электрод, на котором протекают процессы восстановления, называется катодом. В электролизере он заряжен отрицательно (подключен к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока).

При приложении напряжения катионы (положительно заряженные частицы) движутся к катоду, анионы (отрицательно заряженные частицы) – к аноду, и там происходит их разряд. На аноде ионы отдают электроны, происходит их окисление. На катоде ионы принимают электроны, происходит их восстановление.

В электродных процессах не всегда участвуют только катионы и анионы электролита, конкуренцию им составляют молекулы растворителя, в частности, воды – если проводят электролиз водного раствора.

Кроме того, участие воды в электрохимических процессах при электролизе может привести и к другому результату. Образующиеся в качестве промежуточных продуктов свободные радикалы ОН (за счет окисления на аноде гидроксид-ионов) и Н (за счет восстановления на катоде ионов водорода) обладают высокой реакционной способностью и сильно выраженными соответственно окислительными и восстановительными свойствами. У поверхности электрода они способны вовлекаться во взаимодействие с растворенными в воде веществами. В таких случаях говорят об окислении в анодном и восстановлении в катодном пространствах.

Особенности протекания электрохимических процессов в водных растворах обусловлены способностью молекул воды повергаться как окислению (на аноде), так и восстановлению (на катоде).

Анод (+) рН=0 рН=7 рН=14

2H₂O – 4e = 2O + 2H⁺ 4ОН^– – 4e = 4OH 4ОН^– – 4e = 4OH

2О = О₂­ 4OH = O₂­ + 2H₂O 4OH = O₂­ + 2H₂O

или

2H₂O – 4e = 2O + 2H⁺

2О = О₂­

Катод (–) рН=0 рН=7 рН=14

2H⁺ + 2e = 2H 2H₂O + 2e = 2H + 2OH^– 2H₂O + 2e = 2H + 2OH^–

2Н = Н₂­ или 2H = H₂­

2H⁺ + 2e = 2H

2H = H₂­

Различают первичные и вторичные электродные процессы. Первичные имеют электрохимическую природу, вторичные – неэлектрохимическую. В результате электролиза на электродах (катоде и аноде) выделяются соответствующие продукты восстановления и окисления (первичные процессы), которые в зависимости от условий могут вступать в реакции с растворителем, материалом электрода, друг с другом (рекомбинация атомов) и т.д. (вторичные процессы). В некоторых случаях нельзя однозначно разделить первичный и вторичный процессы. В приведенном выше примере свободные радикалы ОН (на аноде) и Н (на катоде) образовались в результате первичных процессов, а окисление манганат-ионов и восстановление азотной кислоты являлось вторичными процессами. Рассмотрим еще один пример.

В ряде случаев на протекание основных процессов при электролизе накладываются побочные реакции: взаимодействие между продуктами электролиза или реакции продуктов с водой. Для предотвращения вторичных реакций между продуктами электролиза используют диафрагмы (перегородки между анодом и катодом), препятствующие диффузии определенных ионов. Например, в приведенном примере с электролизом раствора хлорида натрия для предотвращения взаимодействия между хлором и гидроксид-ионами катод окружают диафрагмой, препятствующей диффузии ионов натрия и хлора. В результате в катодном пространстве концентрируется щелочь (NaОН). Поэтому в большинстве случаев следует ожидать небольшого различия в составе продуктов при электролизе одного и того же раствора с диафрагмой и без нее.

Для каждого электролита существует определенное минимальное значение напряжения (от внешнего источника тока), которое необходимо приложить к электродам для протекания электролиза. Оно называется напряжением разложения (E_разл).

Напряжение разложения представляет собой разность электродного потенциалов анодного и катодного процессов.

Е_разл = Е_А – Е_К

Для каждого электролита существует определенное минимальное значение напряжения (от внешнего источника тока), которое необходимо приложить к электродам для протекания электролиза. Оно называется напряжением разложения (E_разл).

Напряжение разложения представляет собой разность электродного потенциалов анодного и катодного процессов.

Е_разл = Е_А – Е_К

þ

На катоде в первую очередь происходит восстановление ионов или молекул, входящих в окислительно-восстановительную систему с наиболее положительным потенциалом (являющихся восстановленной формой в окислительно-восстановительных системах с наиболее положительным потенциалом).

1) Если электролизу подвергается расплав, содержащий несколько различных катионов металлов, то в этом случае последовательность восстановления определяется электродными потенциалами металлов в данных условиях (в данном расплаве!). При этом в первую очередь восстанавливаются катионы металлов, обладающих большим значением электродного потенциала (с конца ряда напряжений для данного расплава).

2) Восстановительные процессы на катоде в водных растворах:

· катионы металлов, расположенных в ряду напряжений после водорода (со стандартным электродным потенциалом больше, чем у водорода): Cu²⁺, Hg₂²⁺, Ag⁺, Hg²⁺, Pt²⁺... Pt⁴⁺. При электролизе они почти полностью восстанавливаются на катоде и выделяются в виде металла.

· катионы металлов, расположенных в начале ряда (со стандартным электродным потенциалом меньше, чем у алюминия): Li⁺, Na⁺, K⁺... Al³⁺. При электролизе они не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды.

· катионы металлов, расположенных в ряду после алюминия и до водорода (со стандартным электродным потенциалом больше, чем у алюминия, но меньше, чем у водорода): Mn²⁺, Zn²⁺, Cr³⁺, Fe²⁺... H. При электролизе эти катионы восстанавливаются на катоде одновременно с молекулами воды.

3) Если к раствору, содержащему несколько катионов, приложить постепенно возрастающее напряжение, то электролиз начинается тогда, когда достигается потенциал разложения катиона с наиболее положительным потенциалом. Так, при электролизе раствора, содержащего ионы Cu²⁺ (Е⁰_Cu2+/Cu = 0.35 В) и Zn²⁺ (Е⁰_Zn2+/Zn = – 0.76 В), на катоде вначале выделяется медь, и лишь после того, как почти все ионы меди разрядятся, начнет выделяться цинк.

Казалось бы, по значениям электродных потенциалов, в водном растворе можно было бы осадить только металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода. Однако, благодаря перенапряжению водорода удается осаждать из водных растворов многие металлы, которые по значениям их стандартных потенциалов осаждаться не должны (например, Zn). Кроме того, характер среды (кислая, нейтральная, щелочная) оказывает влияние на природу разряжаемого металла. Это связано с тем, что – как было показано выше, электродный потенциал зависит от реакции среды.

Дата добавления: 2014-01-07