Elektrolyse van smelten en oplossingen van stoffen. Chemische problemen met de wet van Faraday oplossen in een middelbare schoolcursus Voorbeeld: elektrolyse van een waterige oplossing van koperchloride op inerte elektroden

Elektrolyse is een proces waarbij elektrische energie wordt omgezet in chemische energie. Dit proces vindt plaats op de elektroden onder invloed van gelijkstroom. Wat zijn de producten van elektrolyse van smelten en oplossingen en wat valt er onder het concept "elektrolyse".

Elektrolyse van gesmolten zouten

Elektrolyse is een redoxreactie die plaatsvindt op de elektroden wanneer een gelijkstroom door een oplossing of gesmolten elektrolyt wordt geleid.

Rijst. 1. Het concept van elektrolyse.

De chaotische beweging van ionen onder invloed van de stroom wordt geordend. Anionen verplaatsen zich naar de positieve elektrode (anode) en oxideren daarop, waarbij elektronen worden gedoneerd. Kationen gaan naar de negatieve pool (kathode) en worden daarop gereduceerd, waarbij elektronen worden geaccepteerd.

De elektroden kunnen inert (metaal uit platina of goud of niet-metaal uit koolstof of grafiet) of actief zijn. In dit geval lost de anode op tijdens het elektrolyseproces (oplosbare anode). Het is gemaakt van metalen zoals chroom, nikkel, zink, zilver, koper, enz.

Tijdens de elektrolyse van gesmolten zouten, alkaliën, oxiden en metaalkationen worden aan de kathode ontladen met de vorming van eenvoudige stoffen. De elektrolyse van melts is een industriële methode voor het produceren van metalen zoals natrium, kalium, calcium (elektrolyse van gesmolten zouten) en aluminium (elektrolyse van gesmolten aluminiumoxide Al 2 O 3 in cryoliet Na 3 AlF 6, gebruikt om de overdracht van oxide te vergemakkelijken tot smelten). Het elektrolyseschema van natriumchloride NaCl-smelt is bijvoorbeeld als volgt:

NaCl Na + + Cl -

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

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

Samengevat proces:

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

2NaCl = elektrolyse 2Na + Cl 2

Gelijktijdig met de productie van het alkalimetaal natrium wordt chloor verkregen door elektrolyse van het zout.

Elektrolyse van zoutoplossingen

Worden zoutoplossingen aan elektrolyse onderworpen, dan kan naast de bij de dissociatie van het zout gevormde ionen ook water op de elektroden worden geoxideerd of gereduceerd.

Er is een duidelijke volgorde voor de ontlading van ionen aan de elektroden in waterige oplossingen.

1. Hoe hoger de standaard elektrodepotentiaal van een metaal, hoe gemakkelijker het is om het te herstellen. Met andere woorden, hoe meer naar rechts het metaal zich in de elektrochemische reeks van spanningen bevindt, hoe gemakkelijker de ionen aan de kathode zullen worden gereduceerd. Bij elektrolyse van oplossingen van metaalzouten van lithium tot aluminium, worden watermoleculen altijd gereduceerd aan de kathode:

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

Als oplossingen van metaalzouten worden onderworpen aan elektrolyse, beginnend bij koper en rechts van koper, worden alleen metaalkationen gereduceerd aan de kathode. Tijdens de elektrolyse van metaalzouten van mangaan-MN tot lood-Pb kunnen zowel metaalkationen als in sommige gevallen water worden gereduceerd.

2. Anionen van zuurresten (behalve F-) worden op de anode geoxideerd. Als zouten van zuurstofhoudende zuren worden onderworpen aan elektrolyse, dan blijven de anionen van zuurresten in oplossing, water wordt geoxideerd:

2H 2 O-4e = O 2 + 4H +

3. Als de anode oplosbaar is, vindt oxidatie en oplossing van de anode zelf plaats:

Voorbeeld: elektrolyse van een waterige oplossing van natriumsulfaat Na 2 SO 4:

Module 2. Basisprocessen van chemie en eigenschappen van stoffen

Laboratoriumwerk nr. 7

Onderwerp: Elektrolyse van waterige zoutoplossingen

elektrolyse wordt een redoxproces genoemd dat optreedt op de elektroden tijdens de doorgang van een elektrische stroom door een oplossing of gesmolten elektrolyt.

Wanneer een gelijkstroom door een elektrolytoplossing of smelt wordt geleid, gaan kationen naar de kathode en anionen naar de anode. Op de elektroden vinden redoxprocessen plaats; De kathode is een reductiemiddel, omdat het elektronen aan kationen geeft, en de anode is een oxidatiemiddel, omdat het elektronen van anionen accepteert. De reacties die plaatsvinden op de elektroden zijn afhankelijk van de samenstelling van de elektrolyt, de aard van het oplosmiddel, het materiaal van de elektroden en de bedrijfsmodus van de elektrolyseur.

De chemie van het elektrolyseproces van de calciumchloridesmelt:

CaCl 2 ↔ Ca 2+ + 2Cl -

aan de kathode Ca 2+ + 2e → Ca °

aan de anode 2Сl - - 2е → 2С1 ° → С1 2

De elektrolyse van een kaliumsulfaatoplossing op een onoplosbare anode ziet er schematisch als volgt uit:

K 2 SO 4 ↔ 2K + + SO 4 2 -

H 2 O ↔ H + + OH -

aan de kathode 2Н + + 2е → 2Н ° → Н 2 2

aan de anode 4OH - 4e → О 2 + 4Н + 1

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

Doel van het werk: kennismaking met de elektrolyse van zoutoplossingen.

Apparaten en apparatuur: elektrische stroomgelijkrichter, elektrolyseur, koolstofelektroden, schuurpapier, kopjes, wasfles.

Rijst. 1. Apparaat om uit te voeren

elektrolyse

1 - elektrolyseur;

2 - elektroden;

3-geleidende draden; constante stroombron.

Reagentia en oplossingen: 5% oplossingen van koperchloride CuCl 2, kaliumjodide KI , kaliumwaterstofsulfaat KHSO 4, natriumsulfaat Na 2 SO 4, kopersulfaat CuSO 4, zinksulfaat ZnSO 4, 20% natriumhydroxide NaOH-oplossing, koper- en nikkelplaten, fenolftaleïne-oplossing, salpeterzuur (geconc.) HNO 3, 1% zetmeel oplossing, neutraal lakmoespapier, 10% oplossing van zwavelzuur H 2 SO 4.

Experiment 1. Elektrolyse van koperchloride met onoplosbare elektroden

Vul de elektrolyseur tot de helft van het volume met een 5% koperchloride-oplossing. Laat beide ellebogen van de elektrolyseur langs de grafietstaaf zakken en zet ze losjes vast met de lengtes van de rubberen buis. Verbind de uiteinden van de elektroden met geleiders met gelijkstroombronnen. Als u een lichte chloorlucht ruikt, koppelt u de elektrolyseur onmiddellijk los van de stroombron. Wat gebeurt er bij de kathode? Maak de vergelijkingen voor de elektrodereacties.

Experiment 2. Elektrolyse van kaliumjodide met onoplosbare elektroden

Vul de cel met 5% kaliumjodide-oplossing. voeg 2 druppels fenolftaleïne toe aan elke knie. Invoegen v elke elleboog van de elektrolysecel grafietelektroden en sluit ze aan op een DC-bron.

In welke knie en waarom is de oplossing gekleurd? Voeg 1 druppel zetmeelpasta toe aan elke knie. Waar en waarom komt jodium vrij? Maak de vergelijkingen voor de elektrodereacties. Wat heeft zich in de kathoderuimte gevormd?

Experiment 3. Elektrolyse van natriumsulfaat met onoplosbare elektroden

Vul de helft van het celvolume met 5% natriumsulfaatoplossing en voeg 2 druppels methyloranje of lakmoes toe aan elke elleboog. Steek elektroden in beide ellebogen en sluit ze aan op een gelijkstroombron. Schrijf je observaties op. Waarom zijn de elektrolytoplossingen op verschillende elektroden anders gekleurd? Maak de vergelijkingen voor de elektrodereacties. Welke gassen en waarom worden op de elektroden uitgestoten? Wat is de essentie van het elektrolyseproces van een waterige oplossing van natriumsulfaat?

Elektrolyse is een redoxreactie die plaatsvindt op elektroden als er een constante elektrische stroom door de smelt- of elektrolytoplossing wordt geleid.

De kathode is een reductiemiddel dat elektronen aan kationen geeft.

De anode is een oxidatiemiddel dat elektronen van anionen accepteert.

Processen op de elektroden tijdens de elektrolyse van melts

(hang niet af van het materiaal van de elektroden en de aard van de ionen).

1. Anionen worden afgevoerd aan de anode ( Ben -; OH -

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

2. Aan de kathode worden kationen ontladen ( Ik n +, H + ), veranderen in neutrale atomen of moleculen:

Ik n + + n ē → Ik °; 2 H + + 2ē → H 2 0 (herstelprocessen).

Processen op de elektroden tijdens elektrolyse van oplossingen

ELEKTROLYSE VAN SMELTEN

Oefening 1... Maak een diagram van de elektrolyse van natriumbromide smelt. (Algoritme 1.)

Opdracht 2... Maak een diagram van de elektrolyse van natriumhydroxidesmelt. (Algoritme 2.)

Taak 3.Maak een diagram van de elektrolyse van natriumsulfaatsmelt. (Algoritme 3.)

ELEKTROLYSE VAN OPLOSSINGEN

Oefening 1.Maak een diagram van de elektrolyse van een waterige oplossing van natriumchloride met behulp van inerte elektroden. (Algoritme 1.)

Taak 2.Maak een diagram van de elektrolyse van een waterige oplossing van kopersulfaat ( II ) met behulp van inerte elektroden. (Algoritme 2.)

Taak 3.Maak een diagram van de elektrolyse van een waterige oplossing van een waterige oplossing van natriumhydroxide met behulp van inerte elektroden. (Algoritme 3.)

Onthouden.Bij de elektrolyse van zuurstofhoudende zuren (H 2 SO 4, enz.), basen (NaOH, Ca (OH) 2, enz.) , zouten van actieve metalen en zuurstofhoudende zuren(K 2 SO 4, enz.) waterelektrolyse vindt plaats op de elektroden: 2 H 2 O = 2 H 2 + O 2

Taak 4.Maak een diagram van de elektrolyse van een waterige oplossing van zilvernitraat met behulp van een anode van zilver, d.w.z. de anode is oplosbaar. (Algoritme 4.)

Ministerie van Onderwijs van de Russische Federatie

Vladimir Staatsuniversiteit

Afdeling Scheikunde en Ecologie

Laboratoriumwerk nr. 6

elektrolyse

Uitgevoerd door een student van de MTS-groep - 104

Sazonova E.V.

Grishina EP

Vladimir 2005

Doel van het werk.

Korte theoretische inleiding.

Apparaten en reagentia.

Werkvoortgang, observaties, reactievergelijkingen.

Doel van het werk.

Observeer de elektrolyse van verschillende oplossingen, stel de bijbehorende reactievergelijkingen op.

Korte theoretische introductie

elektrolyse- redoxprocessen die optreden op de elektroden wanneer elektrische gelijkstroom door de elektrolytoplossing of smelt wordt geleid. Elektrolyse wordt uitgevoerd met behulp van gelijkstroombronnen in apparaten die elektrolyzers worden genoemd.

Kathode- een elektrode aangesloten op de negatieve pool van de stroombron. anode- een elektrode aangesloten op de positieve pool. Oxidatiereacties vinden plaats aan de anode en reductie aan de kathode.

Elektrolyseprocessen kunnen plaatsvinden met een oplosbare of onoplosbare anode. Het metaal waaruit de anode is gemaakt, neemt direct deel aan de oxidatiereactie, d.w.z. geeft elektronen af ​​en gaat in de vorm van ionen over in de oplossing of gesmolten elektrolyt.

Onoplosbare anoden zelf zijn niet direct betrokken bij het oxidatieve proces, maar zijn slechts dragers van elektronen. Als onoplosbare anoden kunnen grafiet, inerte metalen zoals platina, iridium, enz. worden gebruikt. Op onoplosbare anoden vindt een oxidatiereactie plaats van een reductiemiddel in oplossing.

Bij het karakteriseren van kathodische reacties moet er rekening mee worden gehouden dat de volgorde van reductie van metaalionen afhangt van de positie van het metaal in de reeks spanningen en van hun concentratie in de oplossing. Als de potentialen van de twee metalen dichtbij zijn, wordt de gezamenlijke precipitatie van de twee metalen waargenomen, d.w.z. een legering wordt gevormd. In oplossingen die ionen van alkali- en aardalkalimetalen bevatten, komt bij de elektrolyse alleen waterstof vrij aan de kathode.

Apparaten en reagentia

gelijkrichter; ampèremeter; statief; klemmen; aansluitdraden; grafiet elektroden; elektrolyseur. Natriumchloride-oplossing 0,1 M, natriumsulfaatoplossing 0,1 M, koper (II)sulfaatoplossing 0,1 M, kaliumjodide-oplossing 0,1 M; fenolftaleïne, lakmoes.

Werkvoortgang

Elektrolyse van natriumchloride-oplossing

Bevestig de elektrolyseur, de U-vormige glazen buis, op het statief. Giet er 2/3 van het volume natriumchloride-oplossing in. Steek elektroden in beide gaten van de buis en schakel een gelijkstroom in met een spanning van 4 - 6 V. Loodelektrolyse gedurende 3 - 5 minuten.

Voeg daarna een paar druppels fenolftaleïne toe aan de oplossing van de kathode en een paar druppels kaliumjodide-oplossing aan de oplossing van de anode. Let op de kleur van de oplossing aan de kathode en aan de anode. Welke processen vinden plaats aan de kathode en aan de anode? Schrijf de vergelijkingen voor de reacties die plaatsvinden aan de kathode en aan de anode. Hoe de aard van het medium in de oplossing aan de kathode is veranderd.

Observatie: Bij de kathode, waaraan fenolftaleïne was gedruppeld, kreeg de oplossing een karmozijnrode kleur. Cl 2 teruggewonnen bij de anode. Na de toevoeging van zetmeel werd de oplossing paars.

Reactievergelijking:

NaCl ↔ Na + + Cl -

anode: 2Cl - - 2e → Cl 2

2H 2 O + Cl - → H 2 + Cl 2 + 2OH -

2 NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

aan de kathode aan de anode

Elektrolyse van natriumsulfaatoplossing

Giet natriumsulfaatoplossing in de elektrolyseur. Voeg een paar druppels neutrale lakmoes toe aan de oplossing van de kathode en anode. Schakel de stroom in en observeer na 3 - 5 minuten de verandering in de kleur van de elektrolyt in de kathode- en anoderuimten.

Schrijf de vergelijkingen voor de reacties die plaatsvinden aan de kathode en aan de anode. Hoe is de aard van het medium veranderd in de nabij-kathode- en nabij-anoderuimten van de oplossing?

Observatie: de oplossing in de nabij-kathoderuimte werd rood, in de nabij-anoderuimte - blauw.

Reactievergelijking:

Na 2 SO 4 ↔ 2Na + + SO 4 2-

kathode: 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH -

anode: 2H 2 O - 4e → O 2 + 4H +

4OH - - 4H + → 4H 2 O

2H 2 O → 2H 2 + O 2

II)

Giet koper (II) sulfaatoplossing in de elektrolyseur. Laat de stroom gedurende 5 - 10 minuten door totdat er een merkbare laag roze koper op de kathode verschijnt. Maak een vergelijking voor elektrodereacties.

Observatie: een roze neerslag - koper - slaat neer op de kathode.

Reactievergelijking:

CuSO 4 ↔ Cu 2+ + SO 4 -

kathode: Cu 2+ + 2e → Cu

anode: 2H 2 O - 4e → O 2 + 4H +

2Cu 2+ + 2H 2 O → 2Cu + O 2 + 4H +

2CuSO 4 + 2H 2 O → 2Cu + O 2 + 2H 2 SO 4

Elektrolyse van kopersulfaatoplossing (II) met behulp van een oplosbare anode

Gebruik de elektrolyseur met oplossing en elektroden na het derde experiment. Verwissel de polen van de elektroden op de klemmen van de stroombron. Daarna zal de elektrode die de kathode was nu de anode zijn, en de elektrode die de anode was, zal de kathode zijn. Dus de elektrode die in het vorige experiment met koper was bekleed, zal in dit experiment de rol spelen van een oplosbare anode. Voer elektrolyse uit totdat koper volledig is opgelost aan de anode.

Wat gebeurt er bij de kathode? Schrijf de reactievergelijkingen.

Observatie: koper gaat in de oplossing van de anode (voormalige kathode) en zijn ionen bezinken op de kathode (voormalige anode).

Reactievergelijking:

CuSO 4 ↔ Cu 2+ + SO 4 -

kathode: Cu 2+ + 2e → Cu

anode: Cu 2+ - 2e → Cu

Conclusie: Tijdens het werk heb ik het elektrolyseproces geobserveerd en de bijbehorende reactievergelijkingen geschreven.