Введение
Электролиз - это протекание окислительно-восстановительных реакций на электродах в растворах или расплавах электролитов под действием электрического тока.
Рисунок 1. Простейшая установка для электролиза. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Электроды представляют собой стержни/пластины, которые состоят из проводящего материала и подключаются к источнику тока. Выделяют два вида электродов: катод (отрицательно заряженный) и анод (положительно заряженный). Во время электролиза катионы (положительные ионы) притягиваются к катоду, а отрицательные анионы – к аноду. Катод несет избыток электронов, он передает электроны катионам, то есть на катоде происходит восстановление. Напротив, отрицательно заряженные анионы отдают аноду электроны, то есть происходит окисление.
Различают два вида анодов: инертные (нерасходуемые/нерастворимые) и активные (расходуемые/растворимые). При использовании инертного анода (графита, платины) на аноде происходит окисление анионов кислот и гидроксид-ионов, на катоде - восстановление катионов и ионов водорода. При использовании активных анодов (меди) на аноде происходит окисление анионов кислот и гидроксид-ионов, а также анодное растворение металла, на катоде - восстановление катиона соли и ионов водорода, а также восстановление катионов металла.
Электролиз растворов
В растворе соли, помимо ионов металла и кислотного остатка, присутствуют молекулы воды, что также необходимо учитывать при электролизе.
Процессы на катоде.
Процесс на катоде зависит от положения металла (катиона электролита) в электрохимическом ряду напряжений:
- Если металл расположен до алюминия включительно, то выделяется водород (результат восстановления воды). Катионы металла восстанавливаться не будут, так как слишком активны, поэтому они остаются в растворе.
- Если металл расположен между алюминием и водородом, то будет восстанавливаться металл и выделяться водород.
- Если металл располагается правее водорода, то будет происходить восстановление металла.
Рисунок 2. Процесс на катоде при электролизе раствора электролита. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Процессы на аноде.
Здесь происходит окисление анионов.
При электролизе растворов, анионы которых состоят из ${F^-, SO_4^{2-}, NO_3^-, PO_4^{3-}, OH^-}$, выделяется кислород, так как анионы высших кислородных кислот в растворе не окисляются, вместо них окисляется гидроксид: ${2OH^- - 4e = 2H^+ + O_2}$
Если анион не содержит кислорода (кроме фтора), то выделяется простое вещество: ${2Br^- -2e = Br_2}$, ${S^{2-} - 2e = S}$
Если происходит окисление аниона органической кислоты, то ${2RCOO^- -2e = R \! - \! + 2CO_2}$
Рисунок 3. Процесс на аноде при электролизе раствора электролита. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рассмотрим пример электролиза раствора хлорида натрия ${NaCl}$ на инертном электроде.
Натрий - активный металл, поэтому он остается в растворе, при этом выделяется водород: ${2H^+ + 2e = H_2}$.
При окислении аниона происходит выделение хлора: ${2Cl^ - -2e = Cl_2}$.
Так как это раствор, то в процессе еще участвует вода: ${H_2O = H^+ + OH^-}$.
Суммарное уравнение: ${2NaCl_{р-р} + H_2O = Cl_2 + 2NaOH + H_2}$.
Если бы использовался активный (растворимый) электрод (например, медная пластинка), то на аноде вместо выделения хлора происходило бы окисление анода (меди).
Электролиз расплавов
Рассмотрим его на примере электролиза расплава оксида алюминия ${Al_2O_3}$ на инертном электроде (графите):
- на катоде: ${2Al^{3+} + 6e = 2Al}$,
- на аноде: ${3O^{2-} -6e = 3/2 O_2}$.
Часть кислорода будет окислять электрод (графит), поэтому побочным продуктом будет не только кислород, но и углекислый газ: ${2C + O_2 = 2CO}$, ${2CO + O_2 = 2CO_2}$.
