Sulojen ja aineiden liuosten elektrolyysi. Faradayn lain kemiallisten ongelmien ratkaiseminen lukion kurssilla Esimerkki: Kuparikloridin vesiliuoksen elektrolyysi inertillä elektrodeilla

Elektrolyysi on prosessi, jossa sähköenergia muunnetaan kemialliseksi energiaksi. Tämä prosessi tapahtuu elektrodeilla tasavirran vaikutuksesta. Mitä ovat sulatteiden ja liuosten elektrolyysituotteet ja mitä "elektrolyysin" käsite sisältää.

Sulien suolojen elektrolyysi

Elektrolyysi on redox-reaktio, joka tapahtuu elektrodeissa, kun tasainen sähkövirta johdetaan liuoksen tai sulan elektrolyytin läpi.

Riisi. 1. Elektrolyysin käsite.

Ionien kaoottinen liike virran vaikutuksesta tulee järjestykseen. Anionit siirtyvät positiiviselle elektrodille (anodille) ja hapettuvat sen päällä luovuttaen elektroneja. Kationit siirtyvät negatiiviselle napalle (katodille) ja pelkistyvät siinä vastaanottaen elektroneja.

Elektrodit voivat olla inerttejä (metallisia platinasta tai kullasta tai ei-metallisia hiilestä tai grafiitista) tai aktiivisia. Tässä tapauksessa anodi liukenee elektrolyysin aikana (liukoinen anodi). Se on valmistettu metalleista, kuten kromista, nikkelistä, sinkistä, hopeasta, kuparista jne.

Sulaneiden suolojen elektrolyysin aikana katodilla purkautuu emäksiä, oksideja, metallikationeja, jolloin muodostuu yksinkertaisia ​​aineita. Sulatteiden elektrolyysi on teollinen menetelmä metallien, kuten natriumin, kaliumin, kalsiumin (sulien suolojen elektrolyysi) ja alumiinin (sulan alumiinioksidin Al 2 O 3 elektrolyysi kryoliitti Na 3 AlF 6:ssa, jota käytetään helpottamaan oksidin siirtymistä) valmistamiseksi. sulalle). Esimerkiksi natriumkloridisulan elektrolyysikaavio on seuraava:

NaCl Na + + Cl -

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

Anodi(-) (Cl -): Cl - - e= Cl 0, 2Cl 0 = Cl 2

Yhteenveto prosessista:

2Na + + 2Cl- = elektrolyysi 2Na + 2Cl 2

2NaCl = elektrolyysi 2Na + Cl 2

Samanaikaisesti alkalimetallinatriumin tuotannon kanssa klooria saadaan suolan elektrolyysillä.

Suolaliuosten elektrolyysi

Jos suolaliuokset altistetaan elektrolyysille, niin suolan hajoamisen aikana muodostuneiden ionien ohella myös vesi voi hapettua tai pelkistyä elektrodeilla.

Vesiliuosten elektrodien ionien purkamiselle on tietty järjestys.

1. Mitä suurempi metallin standardielektrodipotentiaali on, sitä helpompi se on palauttaa. Toisin sanoen, mitä enemmän oikealla metalli on sähkökemiallisessa jännitesarjassa, sitä helpommin sen ionit pelkistyvät katodilla. Kun metallisuolojen liuoksia elektrolysoidaan litiumista alumiiniin, vesimolekyylit pelkistyvät aina katodilla:

2H 2O + 2e = H2 + 2OH-

Jos metallisuolojen liuokset altistetaan elektrolyysille, alkaen kuparista ja kuparin oikealla puolella, katodilla pelkistyvät vain metallikationit. Metallisuolojen elektrolyysin aikana mangaanista MN:stä lyijyksi Pb:ksi voidaan pelkistää sekä metallikationeja että joissakin tapauksissa vettä.

2. Happotähteiden anionit (paitsi F-) hapettuvat anodilla. Jos happea sisältävien happojen suolat altistetaan elektrolyysille, happojäämien anionit jäävät liuokseen, vesi hapettuu:

2H20-4e = 02 + 4H+

3. Jos anodi on liukoinen, tapahtuu itse anodin hapettumista ja liukenemista:

Esimerkki: natriumsulfaatin Na 2 SO 4 vesiliuoksen elektrolyysi:

Moduuli 2. Kemialliset perusprosessit ja aineiden ominaisuudet

Laboratoriotyö nro 7

Aihe: Suolojen vesiliuosten elektrolyysi

Elektrolyysi Sitä kutsutaan redox-prosessiksi, joka tapahtuu elektrodeissa sähkövirran kulkiessa liuoksen tai sulan elektrolyytin läpi.

Kun tasavirta johdetaan elektrolyyttiliuoksen tai sulatteen läpi, kationit siirtyvät katodille ja anionit anodille. Redox-prosessit tapahtuvat elektrodeilla; Katodi on pelkistävä aine, koska se antaa elektroneja kationeille, ja anodi on hapettava aine, koska se vastaanottaa elektroneja anioneista. Elektrodeilla tapahtuvat reaktiot riippuvat elektrolyytin koostumuksesta, liuottimen laadusta, elektrodien materiaalista ja elektrolysaattorin toimintatavasta.

Kalsiumkloridisulan elektrolyysiprosessin kemia:

CaCl 2 ↔ Ca 2+ + 2Cl -

katodilla Ca 2+ + 2e → Ca °

anodilla 2Сl - - 2е → 2С1 ° → С1 2

Kaliumsulfaattiliuoksen elektrolyysi liukenemattomalla anodilla näyttää kaavamaisesti tältä:

K 2 SO 4 ↔ 2 K + + SO 4 2 -

H 2 O ↔ H + + OH -

katodilla 2Н + + 2е → 2Н ° → Н 2 2

anodilla 4OH - 4e → О 2 + 4Н + 1

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

Työn tarkoitus: tutustuminen suolaliuosten elektrolyysiin.

Laitteet ja varusteet: sähkövirran tasasuuntaaja, elektrolysaattori, hiilielektrodit, hiekkapaperi, kupit, pesupullo.

Riisi. 1. Suorituslaite

elektrolyysi

1 - elektrolysaattori;

2 - elektrodit;

3-johtavat johdot; vakiovirtalähde.

Reagenssit ja liuokset: 5 % liuokset kuparikloridia CuCl 2, kaliumjodidia KI , kaliumvetysulfaatti KHSO 4, natriumsulfaatti Na 2 SO 4, kuparisulfaatti CuSO 4, sinkkisulfaatti ZnSO 4, 20 % natriumhydroksidi NaOH-liuos, kupari- ja nikkelilevyt, fenolftaleiiniliuos, typpihappo (väk.) 1 % HNO 3, liuos , neutraali lakmuspaperi, 10 % rikkihappoliuos H 2 SO 4.

Koe 1. Kuparikloridin elektrolyysi liukenemattomilla elektrodeilla

Täytä elektrolysaattori puoleen tilavuudestaan ​​5-prosenttisella kuparikloridiliuoksella. Laske elektrolysaattorin molemmat kulmaukset grafiittitankoa pitkin ja kiinnitä ne löysästi segmenteillä ja kumiputkella. Kytke elektrodien päät johtimilla tasavirtalähteisiin. Jos havaitset lievää kloorin hajua, irrota elektrolyysilaite välittömästi virtalähteestä. Mitä katodilla tapahtuu? Muodosta elektrodireaktioiden yhtälöt.

Koe 2. Kaliumjodidin elektrolyysi liukenemattomilla elektrodeilla

Täytä kenno 5-prosenttisella kaliumjodidiliuoksella. lisää 2 tippaa fenolftaleiinia jokaiseen polveen. Lisää v elektrolyysikennon grafiittielektrodien jokainen kulma ja liitä ne tasavirtalähteeseen.

Missä polvessa ja miksi liuos värjäytyy? Lisää 1 tippa tärkkelystahnaa jokaiseen polveen. Missä ja miksi jodia vapautuu? Muodosta elektrodireaktioiden yhtälöt. Mitä katoditilaan muodostui?

Koe 3. Natriumsulfaatin elektrolyysi liukenemattomilla elektrodeilla

Täytä puolet kennotilavuudesta 5-prosenttisella natriumsulfaattiliuoksella ja lisää 2 tippaa metyylioranssia tai lakmusia kumpaankin kyynärpäähän. Aseta elektrodit molempiin kyynärpäihin ja liitä ne tasavirtalähteeseen. Kirjoita muistiin havainnot. Miksi eri elektrodien elektrolyyttiliuokset ovat erivärisiä? Muodosta elektrodireaktioiden yhtälöt. Mitä kaasuja ja miksi elektrodeista vapautuu? Mikä on natriumsulfaatin vesiliuoksen elektrolyysiprosessin ydin

Elektrolyysi on redox-reaktio, joka tapahtuu elektrodeissa, jos sulatteen tai elektrolyyttiliuoksen läpi johdetaan jatkuva sähkövirta.

Katodi on pelkistävä aine, joka luovuttaa elektroneja kationeille.

Anodi on hapettava aine, joka ottaa vastaan ​​elektroneja anioneista.

Prosessit elektrodeilla sulatteiden elektrolyysin aikana

(ei riipu elektrodien materiaalista ja ionien luonteesta).

1. Anionit ( Olen -; VAI NIIN -

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

2. Katodilla kationit purkautuvat ( Me n+, H+ ), muuttuvat neutraaleiksi atomeiksi tai molekyyleiksi:

Me n + + n ē → Me °; 2 H + + 2ē → H 2 0 (palautusprosessit).

Prosessit elektrodeilla liuosten elektrolyysin aikana

SULATUSTEN ELEKTROLYYSI

Harjoitus 1... Tee kaavio natriumbromidisulan elektrolyysistä. (Algoritmi 1.)

Tehtävä 2... Tee kaavio natriumhydroksidisulan elektrolyysistä. (Algoritmi 2.)

Tehtävä 3.Tee kaavio natriumsulfaattisulan elektrolyysistä. (Algoritmi 3.)

LIUKSIEN ELEKTROLYYSI

Harjoitus 1.Piirrä kaavio natriumkloridin vesiliuoksen elektrolyysistä käyttämällä inerttejä elektrodeja. (Algoritmi 1.)

Tehtävä 2.Piirrä kaavio kuparisulfaatin vesiliuoksen elektrolyysistä ( II ) käyttämällä inerttejä elektrodeja. (Algoritmi 2.)

Tehtävä 3.Piirrä kaavio natriumhydroksidin vesiliuoksen elektrolyysistä käyttämällä inerttejä elektrodeja. (Algoritmi 3.)

Muistaa.Happipitoisten happojen elektrolyysissä (H 2 SO 4 jne.), emäkset (NaOH, Ca (OH) 2 jne.) , aktiivisten metallien ja happea sisältävien happojen suolat(K 2 SO 4 jne.) vesielektrolyysi etenee elektrodeilla: 2 H 2 O = 2 H 2 + O 2

Tehtävä 4.Piirrä kaavio hopeanitraatin vesiliuoksen elektrolyysistä käyttämällä hopeasta valmistettua anodia, ts. anodi on liukoinen. (Algoritmi 4.)

Venäjän federaation opetusministeriö

Vladimirin osavaltion yliopisto

Kemian ja ekologian laitos

Laboratoriotyö nro 6

Elektrolyysi

Esittää MTS-ryhmän opiskelija - 104

Sazonova E.V.

Grishina E.P.

Vladimir 2005

Työn tarkoitus.

Lyhyt teoreettinen johdanto.

Laitteet ja reagenssit.

Työn eteneminen, havainnot, reaktioyhtälöt.

Työn tarkoitus.

Tarkkaile erilaisten liuosten elektrolyysiä, laadi vastaavat reaktioyhtälöt.

Lyhyt teoreettinen johdanto

Elektrolyysi- redox-prosessit, jotka tapahtuvat elektrodeilla, kun tasavirta johdetaan elektrolyyttiliuoksen tai sulatteen läpi. Elektrolyysi suoritetaan tasavirtalähteillä laitteissa, joita kutsutaan elektrolyysoiksi.

Katodi- elektrodi, joka on kytketty virtalähteen negatiiviseen napaan. Anodi- positiiviseen napaan kytketty elektrodi. Hapetusreaktiot tapahtuvat anodilla ja pelkistys katodilla.

Elektrolyysiprosessit voivat tapahtua liukoisella tai liukenemattomalla anodilla. Metalli, josta anodi on valmistettu, osallistuu suoraan hapetusreaktioon, ts. luovuttaa elektroneja ja siirtyy ionien muodossa liuokseen tai sulaan elektrolyyttiin.

Liukenemattomat anodit eivät itse ole suoraan mukana hapetusprosessissa, vaan ne ovat vain elektronien kantajia. Liukenemattomina anodeina voidaan käyttää grafiittia, inerttejä metalleja, kuten platinaa, iridiumia jne. Liukenemattomissa anodeissa tapahtuu jonkin liuoksessa olevan pelkistimen hapettumisreaktio.

Katodisia reaktioita karakterisoitaessa tulee muistaa, että metalli-ionien pelkistysjärjestys riippuu metallin sijainnista jännitteiden sarjassa ja niiden pitoisuudesta liuoksessa. on positiivisempi potentiaali. Jos kahden metallin potentiaalit ovat lähellä, havaitaan kahden metallin yhteissaostuminen, ts. muodostuu seos. Liuoksissa, jotka sisältävät alkali- ja maa-alkalimetallien ioneja, katodissa vapautuu vain vetyä elektrolyysin aikana.

Laitteet ja reagenssit

Tasasuuntaaja; ampeerimittari; kolmijalka; puristimet; liitäntäjohdot; grafiitti elektrodit; elektrolysaattori. Natriumkloridiliuos 0,1 M, natriumsulfaattiliuos 0,1 M, kupari(II)sulfaattiliuos 0,1 M, kaliumjodidiliuos 0,1 M; fenolftaleiini, lakmus.

Työ käynnissä

Natriumkloridiliuoksen elektrolyysi

Kiinnitä elektrolyysilaite, joka on U-muotoinen lasiputki, jalustaan. Kaada 2/3 natriumkloridiliuoksen tilavuudesta siihen. Aseta elektrodit putken molempiin reikiin ja kytke päälle tasavirta, jonka jännite on 4 - 6 V. Johda elektrolyysiä 3 - 5 minuutin ajan.

Lisää sen jälkeen muutama tippa fenolftaleiinia katodille olevaan liuokseen ja anodin liuokseen muutama tippa kaliumjodidiliuosta. Tarkkaile liuoksen väriä katodissa ja anodissa. Mitä prosesseja tapahtuu katodilla ja anodilla? Kirjoita yhtälöt katodilla ja anodilla tapahtuville reaktioille. Kuinka väliaineen luonne liuoksessa katodilla on muuttunut.

Havainto: Katodissa, johon fenoliftaleiinia tiputettiin, liuos sai karmiininpunaisen värin. Cl2 palautui anodilla. Tärkkelyksen lisäämisen jälkeen liuos muuttui violetiksi.

Reaktioyhtälö:

NaCl ↔ Na + + Cl -

anodi: 2Cl - - 2e → Cl 2

2H 2O + Cl - → H 2 + Cl 2 + 2OH -

2 NaCl + 2H 2O → H2 + 2NaOH + Cl 2

katodilla anodilla

Natriumsulfaattiliuoksen elektrolyysi

Kaada natriumsulfaattiliuos elektrolysaattoriin. Lisää liuokseen muutama tippa neutraalia lakmusta katodille ja anodille. Kytke virta päälle ja tarkkaile 3 - 5 minuutin kuluttua elektrolyytin värin muutosta katodi- ja anoditiloissa.

Kirjoita yhtälöt katodilla ja anodilla tapahtuville reaktioille. Miten väliaineen luonne on muuttunut liuoksen katodi- ja anodiläheisissä tiloissa?

Havainto: katodiläheisessä tilassa oleva ratkaisu muuttui punaiseksi, lähellä anoditila - sininen.

Reaktioyhtälö:

Na 2SO 4 ↔ 2Na + + SO 4 2-

katodi: 2H 2O + 2e → H2 + 2OH -

anodi: 2H20-4e → O2 + 4H+

4OH--4H+ → 4H20

2H 2O → 2H2 + O 2

II)

Kaada kupari(II)sulfaattiliuos elektrolysaattoriin. Ohjaa virtaa 5 - 10 minuuttia, kunnes katodille ilmestyy näkyvä vaaleanpunainen kuparikerros. Muodosta elektrodireaktioiden yhtälö.

Havainto: katodille saostuu vaaleanpunainen sakka - kupari.

Reaktioyhtälö:

CuSO 4 ↔ Cu 2+ + SO 4 -

katodi: Cu 2+ + 2e → Cu

anodi: 2H20-4e → O2 + 4H+

2Cu 2+ + 2H 2O → 2Cu + O 2 + 4H+

2CuSO4 + 2H20 → 2Cu + O2 + 2H2SO4

Kuparisulfaattiliuoksen elektrolyysi (II) käyttämällä liukoista anodia

Käytä elektrolyysilaitetta liuoksen ja elektrodien kanssa kolmannen kokeen jälkeen. Vaihda elektrodien navat virtalähteen navoissa. Sen jälkeen katodina toimiva elektrodi on nyt anodi ja anodina oleva elektrodi katodi. Siten edellisessä kokeessa kuparilla päällystetty elektrodi toimii liukoisena anodina tässä kokeessa. Suorita elektrolyysiä, kunnes kupari on täysin liuennut anodissa.

Mitä katodilla tapahtuu? Kirjoita reaktioyhtälöt.

Havainto: kupari siirtyy liuokseen anodilta (entinen katodi) ja sen ionit kerrostuvat katodille (entinen anodi).

Reaktioyhtälö:

CuSO 4 ↔ Cu 2+ + SO 4 -

katodi: Cu 2+ + 2e → Cu

anodi: Cu 2+ - 2e → Cu

Johtopäätös: Työn aikana seurasin elektrolyysiprosessia ja kirjoitin vastaavat reaktioyhtälöt.