Elektrolyse af smelter og opløsninger af stoffer. Løsning af kemiske problemer på Faraday-loven i et gymnasiekursus Eksempel: Elektrolyse af en vandig opløsning af kobberchlorid på inerte elektroder

Elektrolyse er en proces, hvor elektrisk energi omdannes til kemisk energi. Denne proces foregår på elektroderne under påvirkning af jævnstrøm. Hvad er produkterne af elektrolyse af smelter og opløsninger, og hvad er inkluderet i begrebet "elektrolyse".

Elektrolyse af smeltede salte

Elektrolyse er en redoxreaktion, der opstår på elektroder, når en jævnstrøm ledes gennem en elektrolytopløsning eller smelte.

Ris. 1. Begrebet elektrolyse.

Den kaotiske bevægelse af ioner under påvirkning af strømmen bliver ordnet. Anioner flytter til den positive elektrode (anode) og oxideres på den og afgiver elektroner. Kationerne bevæger sig mod den negative pol (katode) og reduceres der, idet de accepterer elektroner.

Elektroder kan være inerte (metal af platin eller guld, eller ikke-metalliske af kulstof eller grafit) eller aktive. Anoden i dette tilfælde opløses i elektrolyseprocessen (opløselig anode). Den er lavet af metaller som krom, nikkel, zink, sølv, kobber osv.

Under elektrolysen af ​​smeltede salte udledes alkalier, oxider, metalkationer ved katoden med dannelse af simple stoffer. Smelteelektrolyse er en industriel metode til opnåelse af metaller såsom natrium, kalium, calcium (elektrolyse af smeltede salte) og aluminium (elektrolyse af aluminiumoxidsmelte Al 2 O 3 i kryolit Na 3 AlF 6 brugt til at lette overførslen af ​​oxid til smelten ). For eksempel forekommer skemaet for elektrolyse af en smelte af almindeligt salt NaCl som følger:

NaCl Na + + Cl -

Katode(-)(Na+):Na++ e= Na 0

Anode(-) (Cl-): Cl- - e\u003d Cl 0, 2Cl 0 \u003d Cl 2

Opsummeringsproces:

2Na+ +2Cl- = elektrolyse 2Na + 2Cl 2

2NaCl \u003d elektrolyse 2Na + Cl 2

Samtidig med fremstillingen af ​​natriumalkalimetal opnås klor ved elektrolyse af salt.

Elektrolyse af saltopløsninger

Hvis saltopløsninger udsættes for elektrolyse, kan vand sammen med de ioner, der dannes under dissocieringen af ​​saltet, også oxideres eller reduceres på elektroderne.

Der er en vis sekvens af ionudladning ved elektroder i vandige opløsninger.

1. Jo højere standardelektrodepotentialet er i metallet, jo lettere er det at genoprette. Med andre ord, jo mere til højre et metal er i den elektrokemiske række af spændinger, jo lettere vil det være for dets ioner at blive reduceret ved katoden. Under elektrolysen af ​​opløsninger af metalsalte fra lithium til aluminium inklusive, reduceres vandmolekyler altid på katoden:

2H 2 O + 2e \u003d H 2 + 2OH-

Hvis opløsninger af metalsalte udsættes for elektrolyse, startende fra kobber og til højre for kobber, reduceres kun metalkationer ved katoden. Under elektrolysen af ​​metalsalte fra mangan MN til bly Pb kan både metalkationer og i nogle tilfælde vand reduceres.

2. Anioner af syrerester (undtagen F-) oxideres ved anoden. Hvis salte af oxygenholdige syrer udsættes for elektrolyse, forbliver anionerne af syrerester i opløsning, vand oxideres:

2H2O-4e \u003d O2 + 4H+

3. Hvis anoden er opløselig, så er selve anoden oxideret og opløst:

Eksempel: elektrolyse af en vandig opløsning af natriumsulfat Na 2 SO 4:

Modul 2. Grundlæggende kemiprocesser og stoffers egenskaber

Lab #7

Emne: Elektrolyse af vandige saltopløsninger

ved elektrolyse kaldet en redoxproces, der opstår på elektroderne, når en elektrisk strøm passerer gennem en opløsning eller smelte af en elektrolyt.

Når en konstant elektrisk strøm ledes gennem en elektrolytopløsning eller smelte, bevæger kationer sig mod katoden, og anioner bevæger sig mod anoden. Oxidations-reduktionsprocesser finder sted på elektroderne; Katoden er et reduktionsmiddel, da den donerer elektroner til kationer, og anoden er et oxidationsmiddel, da den accepterer elektroner fra anioner. De reaktioner, der forekommer på elektroderne, afhænger af sammensætningen af ​​elektrolytten, arten af ​​opløsningsmidlet, materialet af elektroderne og cellens funktionsmåde.

Kemi af elektrolyseprocessen af ​​calciumchloridsmelte:

CaCl 2 ↔ Ca 2+ + 2Cl -

ved katoden Ca 2+ + 2e → Ca °

ved anoden 2Cl - - 2e → 2C1 ° → C1 2

Elektrolysen af ​​en opløsning af kaliumsulfat på en uopløselig anode ser skematisk sådan ud:

K 2 SO 4 ↔ 2K + + SO 4 2 -

H 2 O ↔ H + + OH -

ved katoden 2Н + + 2е→2Н°→ Í 2 2

ved anoden 4OH - 4e → O2 + 4H + 1

K 2 SO 4 + 4H 2 O 2H 2 + O 2 + 2K0H + H 2 SO 4

Objektiv: fortrolighed med elektrolyse af saltopløsninger.

Enheder og udstyr: elektrisk strøm ensretter, elektrolysator, kulelektroder, sandpapir, kopper, vaskemaskine.

Ris. 1. Indretning til udførelse

elektrolyse

1 - elektrolysator;

2 - elektroder;

3-ledende ledninger; DC kilde.

Reagenser og opløsninger: 5% opløsninger af kobberchlorid СuС1 2, kaliumiodid KI , kaliumhydrogensulfat KHSO 4 , natriumsulfat Na 2 SO 4 , kobbersulfat CuSO 4 , zinksulfat ZnSO 4 , 20 % natriumhydroxidopløsning NaOH, kobber- og nikkelplader, phenolphtaleinopløsning, salpetersyre (koncentreret) HNO 3 , 1 % stivelse opløsning, neutralt lakmuspapir, 10 % svovlsyreopløsning H 2 SO 4 .

Erfaring 1. Elektrolyse af kobberklorid med uopløselige elektroder

Fyld elektrolysatoren op til halvdelen af ​​volumenet med en 5% kobberchloridopløsning. Sænk grafitstangen ned i begge knæ på elektrolysatoren, fastgør dem løst til segmenterne og gummirøret. Forbind enderne af elektroderne med ledere til jævnstrømskilder. Hvis der er en let lugt af klor, skal du straks afbryde elektrolysatoren fra strømkilden. Hvad sker der ved katoden? Lav ligninger af elektrodereaktioner.

Erfaring 2. Elektrolyse af kaliumiodid med uopløselige elektroder

Fyld elektrolysecellen med 5% kaliumiodidopløsning, . tilsæt 2 dråber phenolphtalein til hvert knæ. sæt ind v hvert knæ af og tilslut dem til en jævnstrømskilde.

I hvilket knæ og hvorfor blev opløsningen farvet? Tilføj 1 dråbe stivelsespasta til hvert knæ. Hvor og hvorfor frigives jod? Lav ligninger af elektrodereaktioner. Hvad dannes i katoderummet?

Erfaring 3. Elektrolyse af natriumsulfat med uopløselige elektroder

Fyld halvdelen af ​​elektrolysatorens volumen med 5 % natriumsulfatopløsning og tilsæt 2 dråber methylorange eller lakmus til hvert knæ. Indsæt elektroder i begge knæ og tilslut dem til en jævnstrømskilde. Skriv dine observationer ned. Hvorfor fik elektrolytopløsninger forskellige farver ved forskellige elektroder? Lav ligninger af elektrodereaktioner. Hvilke gasser og hvorfor frigives der på elektroderne? Hvad er essensen af ​​processen med elektrolyse af en vandig opløsning af natriumsulfat

Elektrolyse er en redoxreaktion, der opstår på elektroder, hvis en konstant elektrisk strøm føres gennem smelten eller elektrolytopløsningen.

Katoden er et reduktionsmiddel, der donerer elektroner til kationer.

Anoden er et oxidationsmiddel, der accepterer elektroner fra anioner.

Processer, der forekommer på elektroder under elektrolyse af smelter

(afhænger ikke af elektrodernes materiale og ionernes beskaffenhed).

1. Anioner udledes ved anoden ( A m-; åh-

A m - - m ē → A °; 4 OH - - 4ē → O 2 + 2 H 2 O (oxidationsprocesser).

2. Kationer udledes ved katoden ( Me n+, H+ ), bliver til neutrale atomer eller molekyler:

Me n + + n ē → Me °; 2H+ + 2ē → H20 (gendannelsesprocesser).

Processer, der forekommer på elektroderne under elektrolyse af opløsninger

ELEKTROLYSE AF SMELT

Øvelse 1. Lav et diagram over elektrolysen af ​​natriumbromidsmelte. (Algorithme 1.)

Opgave 2. Lav et diagram over elektrolysen af ​​natriumhydroxidsmelte. (Algorithme 2.)

Opgave 3.Lav et diagram over elektrolysen af ​​en smelte af natriumsulfat. (Algorithme 3.)

LØSNINGSELEKTROLYSE

Øvelse 1.Lav et skema for elektrolyse af en vandig opløsning af natriumchlorid ved hjælp af inerte elektroder. (Algorithme 1.)

Opgave 2.Tegn et skema for elektrolyse af en vandig opløsning af kobbersulfat ( II ) ved hjælp af inerte elektroder. (Algorithme 2.)

Opgave 3.Udarbejd et skema for elektrolyse af en vandig opløsning af en vandig opløsning af natriumhydroxid ved hjælp af inerte elektroder. (Algorithme 3.)

Husk.Ved elektrolyse af oxygenholdige syrer (H 2 SO 4 osv.), baser (NaOH, Ca (OH) 2 osv.) , salte af aktive metaller og oxygenholdige syrer(K 2 SO 4 osv.) elektrolyse af vand sker på elektroderne: 2 H 2 O \u003d 2 H 2 + O 2

Opgave 4.Lav et skema for elektrolyse af en vandig opløsning af sølvnitrat ved hjælp af en anode lavet af sølv, dvs. anoden er opløselig. (Algorithme 4.)

Undervisningsministeriet i Den Russiske Føderation

Vladimir State University

Institut for Kemi og Økologi

Lab #6

Elektrolyse

Udført af en studerende fra MTS-gruppen - 104

Sazonova E.V.

Grishina E.P.

Vladimir 2005

Objektiv.

Kort teoretisk introduktion.

Instrumenter og reagenser.

Arbejdsforløb, observationer, reaktionsligninger.

Objektiv.

Observer elektrolysen af ​​forskellige opløsninger, opstil de tilsvarende reaktionsligninger.

Kort teoretisk introduktion

Elektrolyse- redoxprocesser, der forekommer på elektroderne, når en jævnstrøm føres gennem en elektrolytopløsning eller smelte. Elektrolyse udføres ved hjælp af jævnstrømskilder i enheder kaldet elektrolysatorer.

Katode- en elektrode forbundet til strømkildens negative pol. Anode- en elektrode forbundet til den positive pol. Oxidationsreaktioner finder sted ved anoden og reduktionsreaktioner ved katoden.

Elektrolyseprocesser kan foregå med en opløselig eller uopløselig anode. Metallet, som anoden er lavet af, er direkte involveret i oxidationsreaktionen, dvs. donerer elektroner og går i form af ioner over i en opløsning eller smelte af elektrolytten.

Uopløselige anoder er ikke i sig selv direkte involveret i oxidationsprocessen, men er kun elektronbærere. Som uopløselige anoder kan anvendes grafit, inerte metaller som platin, iridium etc. På uopløselige anoder sker en oxidationsreaktion af et reduktionsmiddel i opløsning.

Når man karakteriserer katodiske reaktioner, skal man huske på, at rækkefølgen af ​​reduktion af metalioner afhænger af metallets position i rækken af ​​spændinger og af deres koncentration i opløsningen .. hvis ioner af to eller flere metaller er samtidigt i opløsningen, derefter ionerne af metallet, der har mere positivt potentiale. Hvis potentialerne for de to metaller er tætte, så observeres en fælles udfældning af de to metaller, dvs. en legering dannes. I opløsninger indeholdende alkali- og jordalkalimetalioner frigives kun hydrogen ved katoden under elektrolyse.

Instrumenter og reagenser

ensretter; amperemeter; stativ; klemmer; forbindelsesledninger; grafitelektroder; elektrolysator. Natriumchloridopløsning 0,1 M, natriumsulfatopløsning 0,1 M, kobber(II)sulfatopløsning 0,1 M, kaliumiodidopløsning 0,1 M; phenolphtalein, lakmus.

Fremskridt i arbejdet

Elektrolyse af natriumchloridopløsning

Fastgør elektrolysatoren, som er et U-formet glasrør, på et stativ. Hæld 2/3 af natriumchloridopløsningen i det. Indsæt elektroder i begge huller i røret og tænd for jævnstrøm med en spænding på 4–6 V. Udfør elektrolyse i 3–5 minutter.

Tilsæt derefter et par dråber phenolphtalein til opløsningen til katoden og et par dråber kaliumiodidopløsning til opløsningen til anoden. Observer farven på opløsningen ved katoden og ved anoden. Hvilke processer finder sted ved katoden og ved anoden? Skriv ligningerne for de reaktioner, der sker ved katoden og ved anoden. Hvordan arten af ​​mediet i opløsningen ved katoden har ændret sig.

Observation: På katoden, hvortil phenolphtalein blev droppet, fik opløsningen en karminrød farve. Cl2 udvundet ved anoden. Efter tilsætning af stivelse blev opløsningen lilla.

Reaktionsligning:

NaCl ↔ Na + + Cl -

anode: 2Cl - - 2e → Cl 2

2H 2 O + Cl - → H 2 + Cl 2 + 2OH -

2 NaCl + 2H2O → H2 + 2NaOH + Cl2

ved katoden ved anoden

Elektrolyse af natriumsulfatopløsning

Hæld natriumsulfatopløsning i elektrolysecellen. Hæld et par dråber neutral lakmus i opløsningen til katoden og anoden. Tænd for strømmen og observer efter 3-5 minutter ændringen i farven på elektrolytten i nær-katode- og nær-anode-rummet.

Skriv ligningerne for de reaktioner, der sker ved katoden og ved anoden. Hvordan har mediets natur ændret sig i opløsningens nær-katode og nær-anode rum?

Observation: opløsningen i katoderummet blev rød, i anoderummet - blå.

Reaktionsligning:

Na 2 SO 4 ↔ 2Na + + SO 4 2-

katode: 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH -

anode: 2H20 - 4e → O2 + 4H+

4OH - - 4H + → 4H20

2H20 → 2H2 + O2

II)

Hæld en opløsning af kobber(II)sulfat i elektrolysecellen. Led strømmen i 5 - 10 minutter, indtil et mærkbart lag af pink kobber vises på katoden. Skriv en ligning for elektrodereaktioner.

Observation: et lyserødt bundfald - kobber - udfældes på katoden.

Reaktionsligning:

CuSO 4 ↔ Cu 2+ + SO 4 -

katode: Cu 2+ + 2e → Cu

anode: 2H20 - 4e → O2 + 4H+

2Cu2+ + 2H2O → 2Cu + O2 + 4H+

2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + O2 + 2H2SO4

Elektrolyse af kobbersulfatopløsning (II) under anvendelse af en opløselig anode

Brug elektrolysatoren med opløsning og elektroder efter det tredje eksperiment. Skift polerne på elektroderne ved terminalerne på strømkilden. Derefter vil den elektrode, der var katoden, nu være anoden, og den elektrode, der var anoden, vil være katoden. Elektroden belagt med kobber i det foregående forsøg vil således fungere som en opløselig anode i dette forsøg. Elektrolyse udføres indtil fuldstændig opløsning af kobber på anoden.

Hvad sker der ved katoden? Skriv reaktionsligninger.

Observation: kobber passerer fra anoden (tidligere katode) til opløsning, og dets ioner sætter sig på katoden (tidligere anode).

Reaktionsligning:

CuSO 4 ↔ Cu 2+ + SO 4 -

katode: Cu 2+ + 2e → Cu

anode: Cu 2+ - 2e → Cu

Konklusion: I løbet af arbejdet observerede jeg elektrolyseprocessen og skrev de tilsvarende reaktionsligninger.