10. ОСНОВИ ЕЛЕКТРОХІМІЇ

10. ОСНОВИ ЕЛЕКТРОХІМІЇ

10.4. Електроліз водних розчинів

При електролізі водних розчинів електролітів на електродах поряд з розряджанням катіонів і аніонів або замість них можуть відновлюватись або окиснюватись молекули води.

Для визначення частинок, які беруть участь у катодному процесі, користуються рядом стандартних електродних потенціалів. Залежно від положення металу в цьому ряду, можливі такі варіанти (табл. 10.1).

  1. Катіони металів, розміщених правіше від символу “Н” відновлюються до вільного металу: Сu2+ + 2e  = Cu.
  2. Катіони металів, розміщених лівіше від символу “Mn” не відновлюються, а відновлюються молекули води: Н2О + 2e  = Н2 + 2ОН.
  3. Катіони металів, розміщених між символами “Al” i “H” відновлюються паралельно з молекулами Н2О: Сd2+ + 2e  = Cd, 2Н2О + 2e  = Н2 + 2ОН.

При цьому більша кількість електрики іде на відновлення катіонів металу.

Таблиця 10.1

Катодні процеси у водних розчинах солей

Ряд стандартних ектродних потенціалів

Li, K, Ca, Na, Mg, Al

Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb

H2

Cu, Ag, Hg, Pt, Au

 Н2О + 2e  = Н2 + 2ОН

Меn+ + ne  = Me0

Н2О + 2e  = Н2 + 2ОН

 

Меn+ + ne  = Me0

В анодному процесі розряджаються тільки аніони безоксигенових кислот (Hal, S2–) та ОН-групи:

2Cl – 2e  = Cl2,    4OH – 4e  = 2H2O + O2.

У присутності іонів F, SO42–, NO3, PO43–, CO32– та деяких інших окиснюються лише молекули Н2О: 2Н2О – 4e  = 4H+ + O2 (табл. 10.2).

Таблиця 10.2

Анодні процеси у водних розчинах електролітів

Анод

Аніон An

безоксигеновий або ОН

оксигеновмісний і F

Нерозчинний

An – ne  = An0

4OH – 4e  = 2H2O + O2

2О – 4e  = 4H+ + O2

Розчинний

Окиснення матеріалу анода Me0 + ne  = Men+

 

Проілюструємо сказане кількома прикладами.

Електроліз водного розчину купрум (ІІ) хлориду CuCl2.

У водному розчині сіль дисоціює за схемою: СuCl2 = Сu2+ + 2Cl.

Оскільки Сu розміщений правіше від символу “Н”, то на катоді відновлюються катіони Сu2+, а на аноді окиснюються аніони Cl:

К (–) Сu2+ + 2e  = Cu

А (+) Cl – 2e  = Cl2

1

1

CuCl2 = Cu + Cl2

Електроліз водного розчину кадмій (ІІ) сульфату CdSO4.

У водному розчині сіль дисоціює за схемою: СdSO4 = Сd2+ + SO42–.

Оскільки Сd лежить між символами “Al” i “Н”, то на катоді паралельно відновлюються катіони Сu2+ та молекули Н2О, на аноді окиснюються молекули Н2О:

К (–) Сd2+ + 2e  = Cd, 2Н2О + 2e  = Н2 + 2ОН.

А (+) 2Н2О – 4e  = 4H+ + O2.

Сумарну схему реакції у цьому випадку записати неможливо, оскільки невідомо, яка кількість електрики затрачається на відновлення молекул Н2О, а яка – на розряджання катіонів Сd2+.

Електроліз водного розчину калій нітрату KNO3.

Оскільки К розміщений зліва від символу “Mn”, то катіони К+ не будуть відновлюватись на катоді, а аніони NO3 – окиснюватись на аноді у водному розчині. В катодному та анодному процесах участь беруть лише молекули Н2О:

К (–) 2Н2О + 2e  = Н2 + 2ОН

А (+) 2Н2О – 4e  = 4H+ + O2

2

1

2О = 4ОН + 4H+ + 2Н2 + О2

2О = 2Н2 + О2

Електроліз водного розчину натрій гідроксиду NаOН.

Як і у попередньому прикладі, на катоді будуть відновлюватись молекули Н2О. На аноді будуть окиснюватись ОН-групи:

К (–) 2Н2О + 2e  = Н2 + 2ОН

А (+) 4OH – 4e  = 2H2O + O2

2

1

2О + 4ОН = 4ОН +2H2O + 2Н2 + О2

2О = 2Н2 + О2

Досі ми розглядали електроліз з інертним анодом, який не окиснюється при електролізі (графіт, платина тощо). Проте, часто електроліз проводять з розчинним анодом (мідний, нікелевий).

При електролізі з розчинним анодом катодні процеси проходять як і у випадку з нерозчинним. Основною відмінністю є те, що окиснюється матеріал анода і це іноді призводить до появи в розчині нових катіонів.

Розглянемо для прикладу електроліз водного розчину купрум (ІІ) сульфату CuSO4 з мідним анодом:

К (–) Сu2+ + 2e  = Cu

А (+) Сu – 2e  = Cu2+.

Таким чином, метал, що розчинився на аноді, осідає на катоді. Це явище часто застосовують при добуванні металів високої чистоти.