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).
- Катіони металів, розміщених правіше від символу “Н” відновлюються до вільного металу: Сu2+ + 2e = Cu.
- Катіони металів, розміщених лівіше від символу “Mn” не відновлюються, а відновлюються молекули води: Н2О + 2e = Н2 + 2ОН–.
- 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 |
2Н2О – 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 |
6Н2О = 4ОН– + 4H+ + 2Н2 + О2 2Н2О = 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 |
4Н2О + 4ОН– = 4ОН– +2H2O + 2Н2 + О2 2Н2О = 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.