Тема электролиза довольна большая, формул в ней много и, как мне кажется, больше ее изучают на уроках физики… Я хочу рассмотреть ту часть, которая касается химии, и при этом только формат ЕГЭ — электролиз водных растворов солей.
Электролиз водных растворов солей
Для начала давайте представим себе систему, в которой происходит электролиз.
Электролиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, который возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита.
Электроды — это такие пластинки или стержни, опущенные в раствор, они подключены к источнику тока.
Мы будем рассматривать случай инертных электродов — т.е. они не будут вступать ни в какие химические реакции.
При пропускании электрического тока, вещество раствора будет претерпевать химические изменения, т.е. буду образовываться новые химические вещества. Они будут притягиваться к электродам следующим образом:
Теперь рассмотрим электролиз водных растворов различных солей
Разберем сначала катионы :
Теперь анионы-кислотные остатки :
Примеры:
1.2. Катион стоит в ряду до Н, кислотный остаток беcкислородный:
анод (+): Cl − — 1e = Cl 0 ; Cl 0 +Cl 0 =Cl2
2.1. Катион стоит в ряду после Н, кислотный остаток содержит кислород О:
2.2. Катион стоит в ряду после Н, кислотный остаток беcкислородный:
катод (-): Cu 2+ + 2e = Cu 0
анод (+): 2Cl − — 2e = 2Cl 0
Электролиз водных растворов солей отличается от электролиза расплавов.
Отличие — в наличии растворителя. При электролизе водных растворов солей кроме ионов самого вещества в процессе участвуют ионы растворителя. При электролизе расплавов — только ионы самого вещества.
Обсуждение: «Электролиз водных растворов солей»
Здравствуйте. Очень благодарна вам за такое понятное объяснение темы. У меня к Вам вопрос. В одном из заданий В3, где нужно было определить продукт на катоде, я столкнулась с такой проблемой. В одной из формул веществ был написан AlCl3. Продуктом на катоде я написала водород. Но в ответ к заданию был алюминий. Скажите в чём моя ошибка или это ошибка в тесте?
Водород — правильный ответ. В ответах к тренировочным тестам ЕГЭ очень часто бывают ошибки. Да и не только в ответах. В этом году, например, в заданиях пробных ЕГЭ быди ошибки!
1. Запишите все возможные процессы на аноде, установите потенциалы процессов.
2. Сравните потенциалы анодных процессов и определите, какой из них протекает в первую очередь?
3. Выясните, меняется ли среда около анода, если да, то как и почему?
4. Запишите все возможные процессы на катоде, установите потенциалы процессов.
5. Сравните потенциалы катодных процессов и определите, какой из них протекает в первую очередь.
6. Установите, меняется ли среда около катода, если да, то как и почему?
7. Запишите итоговую схему процесса электролиза.
0,1 M раствор CuSO4
pH = 5, катод – Al, анод – Сu
здесь решают задачи школьного уровня. Не сможем вам помочь
Самопроизвольные окислительно-восстановительные реакции дают возможность создания гальванических элементов, в которых вырабатывается электрическая энергия. Если же реакция несамопроизвольна, то ее осуществление возможно при помощи электрической энергии. Подобные процессы осуществляют в электролизерах и называются они реакциями электролиза (электролиз солей).
Электролизер
Как видно на рисунке ниже, электролизер состоит из двух электродов, погруженных в расплав или водный раствор соли. Источник электрического тока передает электроны в один из электродов и удаляет их с другого электрода. При отдаче электронов электрод заряжается положительно, а при получении электронов – отрицательно.
Электролиз расплава NaCl
Аналогично происходит миграция ионов Cl — к положительному электроду, где в результате отдачи электронов протекает процесс окисления. Таким образом, на электродах идет накопление продуктов окисления и восстановления.
Как и в гальваническом элементе, процесс восстановления протекает на катоде, а процесс окисления – на аноде.
При электролизе расплава NaCl протекают следующие реакции:
В промышленности таким образом получают натрий, используя электролизер Даунса, представленный на рисунке ниже.
Сложнее протекает электролиз водных растворов электролитов.
Электролиз водного раствора NaCl
Так, например, при электролизе водного раствора хлорида натрия, происходят иные процессы, нежели при электролизе его расплава. На катоде происходит восстановление воды, а не натрия; на аноде происходит окисление хлорид-ионов:
Таким образом, получить натрий путем электролиза водного раствора его соли не удастся: на катоде выделяется водород, а на аноде хлор.
При электролизе водных растворов солей окислительно-восстановительные процессы, протекающие на катоде и аноде зависят от природы катионов металлов и характера аниона соли.
Процесс на катоде
Предсказать результат восстановительного процесса на катоде можно с помощью таблицы стандартных электродных потенциалов металлов:
Процесс на аноде
Какие процессы будут протекать на аноде зависит от материала анода и самого электролита. Нерастворимые аноды в процессе электролиза не окисляются, тогда как растворимые аноды разрушаются и в виде ионов переходят в раствор.
Рассмотрим процессы, происходящие на инертном (нерастворимом) аноде:
В таблице ниже представлены наиболее типичные случаи электролиза с химической точки зрения
Водный раствор соли малоактивного металла и бескислородной кислоты с инертным анодом
CuBr2 + H2O = Cu + Br2 + H2O
Водный раствор соли активного металла и кислородсодержащей кислоты с инертным анодом
K2SO4 + 2H2O = K2SO4 + 2H2 + O2
Т.е. происходит разложение воды
Водный раствор соли активного металла и бескислородной кислоты с инертным анодом
KI + H2O = 2KOH + H2 + I2
Водный раствор соли малоактивного металла с анодом из того же металла
CuSO4
Электролиз солей — количественные аспекты
Связь между количеством вещества, выделившегося при электролизе соли и количеством прошедшего через него электричества отражена в законах Фарадея.
1 закон Фарадея
Массы веществ (m), выделившихся на катоде или аноде (или образовавшиеся в катодном и анодном пространстве), пропорциональны количеству прошедшего через раствор или расплав электричества (Q):
где k – коэффициент пропорциональности или электрохимический эквивалент, численно равный массе вещества, которое выделяется при прохождении 1 кулона электричества.
2 закон Фарадея
Равные количества электричества в процессе электролиза выделяют эквивалентные количества различных веществ.
Т.е. чтобы выделился один химический эквивалент любого соединения необходимо приложить одинаковое количество электричества, которое равно 96484,56 Кл/моль. Это величина называется постоянной Фарадея.
Э – электрохимический эквивалент,
t – время электролиза.
Законы Фарадея имеют большое значение при проведении расчетов, связанных с электролизом.
Задачи с решениями на составление уравнений электродных реакций, протекающих при электролизе, а также на применение законов Фарадея приведены в разделе Задачи к разделу Электролиз солей
Свернуть 2. Провели полный электролиз 200 г раствора хлорида калия с ω(KCl) = 7,45%. К полученному раствору добавили 50 г раствора фосфорной кислоты с ω(H3PO4) = 19,6%. Определите формулу образовавшейся при этом соли.
При полном электролизе вступит в реакцию весь хлорид калия. Определим массу и количество вещества хлорида калия:
m(KCl) = mр-ра (KCl) ·ω(KCl) = 200 г · 0,075 = 14,9 г
n(KCl) = m/M =14,9 г / 74,5 г/моль = 0,2 моль
Определим количество образовавшейся щелочи:
n(KOH) = n(KCl) = 0,2 моль
Определим количество фосфорной кислоты:
m(H3PO4) = mр-ра (H3PO4) ·ω(H3PO4) = 50 г · 0,196 = 9,8 г
n(H3PO4) = m/M =9,8 г / 98 г/моль = 0,1 моль
При взаимодействии фосфорной кислоты с щелочью возможно образование трех типов солей:
H3PO4 + KOH → KH2PO4 + H2O
H3PO4 + 2KOH → K2HPO4 + 2H2O
H3PO4 + 3KOH → K3PO4 + 3H2O
При соотношении кислоты и щелочи n(H3PO4):n(KOH) = 0,1:0,2 или 1:2 протекает вторая реакция и образуется гидрофосфат калия. Количество вещества гидрофосфата калия равно:
n(K2HPO4) = n(H3PO4) = 0,1 моль
Решение и ответ 3. В процессе электролиза 500 мл раствора гидроксида натрия с ω(NaОН) = 4,6% (ρ = 1,05 г/мл) массовая доля NaОН в растворе увеличилась до 10%. Вычислите объёмы газов (н. у.), выделившихся на электродах.
Всё на самом деле намного проще
Я не силён в подобных вапросах, но точно знаю, что ещё в 80-х годах именно электрофорезом раствора поваренной соли получали гипохлорит натрия на одной из кафедр медицинского института. И что и сегодня подобный электрофорез является основным методом его получения в промышленных масштабах.
Электролиз воды это процесс разложение воды электрическим током используют различные электролизеры, например аппарат Гофмана и др. Раньше они входили в состав оборудования школьных кабинетов химии. Но эти приборы с платиновыми и серебряными электродами дорогие, хрупкие и недолговечные.
Электроды из благородных металлов заменили свинцовыми и никелевыми. Приборы стали прочнее, но имели существенный недостаток— образование вторичных продуктов электролиза.
Термическое разложение воды
В то время как электролиз воды проходит при обыкновенной температуре, термическое разложение воды требует нагревания до очень высокой температуры (выше 1000 °С), что свидетельст вует о прочности этого соединения.
Так, пары воды частично разлагаются на водород и кислород при сильном нагревании платиновой спирали, которую можно заменить спиралью из других тугоплавких металлов (например, вольфрама).
Установка для термического разложения (диссоциации) воды изображена на рисунке 2.
Меры предосторожности. Перед раскаливанием спирали необходимо удалить из установки воздух, для чего воду в колбе кипятят. Провода подключают к источнику электрического тока (через ВС-24М или В-24). Цилиндр с собранной гремучей смесью обертывают полотенцем и подносят к пламени.
Электролиз водных растворов солей
Прибор для электролиза растворов солей (рис. Б) представляет собой дугообразную трубку с двумя отростками для отвода образующихся газов, например хлора и водорода при электролизе раствора хлорида натрия. Электроды—угольные (графитовые) стержни.
Рис. 2 — А. Установка для термического разложе ния воды.
Рис. 2 — Б. Прибор для электролиза растворов солей.
Для демонстрации электролиза воды в электролизер наливают дистиллированную воду так, чтобы уровень ее на 2— 3 см был выше электродов. В качестве электролита используют 10 %-ный раствор гидроксида натрия. В две демонстрационные пробирки (ПХ-21) также наливают дистиллированную воду с добавлением электролита.
Пробирки поочередно закрывают пробкой с держателем, опрокидывают вверх дном в электролизер; открывают под водой пробку и надевают пробирки на электроды. Прибор подключают к источнику постоянного тока с напряжением 40 В (ИЭПП-1 или ИЭПП —2) при условии, что контакт экспериментатора с электролитом исключен.
Для этого в старых образцах набора следует сделать к электролизеру крышку (из картона, дерева, пластмассы) с отверстиями для пробирок. В противном случае нельзя пользоваться электрическим током с напряжением свыше 12 В.
Аналогично проводят опыт по электролизу водного раствора иодида калия. Электролизер и демонстрационные пробирки заполняют раствором иодида калия. В одну из пробирок, которую надевают на катод, добавляют 1— 2 капли фенолфталеина, а во вторую — 2—3 капли крахмального клейстера.
Подключают прибор к источнику постоянного тока и через 1 —2 мин (U 40В) наблюдают малиновое окрашивание в катодном пространстве (в пробирке с фенолфталеином) и синее — в анодном (в пробирке с крахмалом). Практическое значение имеет электролиз раствора хлорида натрия, дающий три важных продукта: гидроксид натрия, хлор и водород. Из последних двух продуктов может быть получена синтетическая соляная кислота.
Электролиз хлорида натрия
Лабораторные установки для электролиза раствора хлорида натрия рассматриваются в руководствах по химическому эксперименту. Одна из таких установок была предложена М. В. Федякиным (журнал «Химия в школе», 1964, № 5). Она состоит из стеклянной трубки ( 30 мм), закрытой двумя резиновыми пробками.
В прибор через воронку наливают насыщенный раствор хлорида натрия до уровня, показанного на рисунке. Установку подключают к источнику постоянного тока напряжением 15—20 В,
При электролизе на катоде 4 выделяется водород, который собирают над трубкой 6 в пробирку и испытывают на горючесть.
Выделяющийся на аноде хлор выводится по газоотводной трубке в сосуд с иодокрахмальным раствором (на рисунке не показано). Сливают в отдельные стаканы жидкость из анодного про странства и катодного пространства, а в третий стакан — исходный раствор хлорида натрия. Во все три стакана прибавляют раствор лакмуса (фиолетового цвета). Исходный раствор показывает нейтральную реакцию, жидкость при катоде — щелочную, а при аноде —разрушает лакмус (действие растворенного хлора).
Установка для электролиза солей
Установку для электролизера растворов солей (а также воды) можно собрать из специальных деталей набора НДПХ. В качестве электролизера используют Н-образную трубку-реактор 1 ( с кранами 2 и 4), в которую вставляют две пробки с электродами: железным и угольным.
В колбу при закрытом зажиме наливают прозрачный насыщенный раствор хлорида нат рия, заготовленный заранее. К клеммам электродов присоединяют проводники от источника постоянного тока ВС-24М (В-24). Напряжение тока 25—30 В, сила тока 4 А. Через 2—3 мин колбу поднимают на демонстрационный столик.
Водород собирают в пробирку, открывают кран и доказывают наличие газа. В пробирку над краном помещают иодокрахмальную бумажку , с помощью которой доказывают наличие хлора.
Получившийся раствор щелочи берут из электролизера в пробирку через тройник с зажимом . Проводят испытание раствора щелочи фенолфталеином.
Получение водорода из морской воды с помощью солнечных панелей Комментировать
Эффективное и экономически выгодное получение водорода и кислорода из морской воды с помощью электролиза было целью ученых на протяжении нескольких десятилетий, сообщает Newsweek.
Количество энергии, которое запасено в 1 кг одном килограмме водорода почти в 2.5 раза больше чем в природном газе, но что еще немаловажно, единственным продуктом сгорания водорода является вода. В недалёком будущем, с помощью водорода можно будет обеспечить энергией практически всё: от автомобилей до зданий и строений. Однако, получение водорода в таком глобальном масштабе может создать нагрузку на пресные источники воды, которые нужны как для питься, так и для использования в многочисленных промышленных процессах.
Команде ученых-химиков из Стэнфордского университета удалось разработать способ получения водорода из морской воды, которая, кстати, занимает 97% от запасов всей воды на Земле. Результаты своей работы опубликовали в Известиях Национальной академии наук США (PNAS).
Типичный электролизёр состоит из двух электродов – катода и анода, погружённых в электролит и разделённых мембраной. При пропускании электрического на этих электродах выделяются пузырьки газа, на аноде – кислород, на катоде – водород. Для снижения количества электричества, требуемого для разделения молекул вода на водород и кислород, электроды обычно покрывают специальным катализатором.
Электролизёр, разработанный командой из Стэнфорда во многом похож на коммерческие аналоги, только за одним исключением – их устройство может работать с солёной морской водой вместо пресно.
Если немного помните школьный курс химии, то знаете что соль NaCl состоит положительно заряженного атома натрия Na+ и отрицательно заряженного атома хлора Cl-.
Больше всего проблем ученым составлял Cl-, поскольку приводит к быстрой коррозии металлического анода. Соль можно удалить из морской воды с помощью опреснения, но это дорогой и затратный с энергетической точки зрения процесс. Чтобы избежать этапа опреснения, команда учёных разработала специальные электроды, который могут противостоять агрессивном условиях в процессе электролиза морской воды.
Анод, а именно токоприёмник они сделали из пористого никеля, который покрыли дешёвым, но высокоактивным катализатором на основе никеля и железа. Сам катализатор устойчив к коррозии, но нижележащий металлический проводит более активен и быстрее корродирует при контакте с раствором хлорида.
Чтобы решить проблему коррозии учёные нашли способ предотвратить миграцию хлорид-ионов через слой катализатора, тем самым предотвращая их попадание на металл. Хитрость заключалось в добавлении в границу раздела фаза катализатор-металл отрицательно заряженных молекул сульфита и карбоната. Поскольку одинаково заряженные частицы отталкиваются между собой, то эти молекулы сульфита и карбоната будут отталкивать хлор-ионы, тем самым не пропуская их к металлу.
Такой модифицированный анод способен отработать в течение 1000 часов в ходе электролиза морской воды при той же плотности тока, что применяется в коммерческих аппаратах. Ученые попробовали сделать еще более насыщенный растворов соли, где её концентрация была в три разы выше чем в морской воде, в таких условиях анод также отработал 1000 часов.
Чтобы электролиз воды был экологически чистым, энергия для него должна использоваться из возобновляемых источников. Поэтому ученые подключили к электролизёру коммерческую солнечную панель.
Испытания провели прямо на территории кампус Стэнфордского университета под естественным солнечных освещением. Плотность тока, протекающая через электролизёр составила прибл. 1А/см².
Как потом использовать этот самый водород и кислород? – можете вы спросить. Можно подумать, что сжигать также как и природный газ – но нет. Это не эффективно. Водорода и кислород обратно в электричество преобразуется с помощью водородных топливных элементов (англ., Fuel Cell). КПД таких элементов составляет 50-60%, что почти в 2 разе больше чем КПД двигателя внутреннего сгорания. Водород в них играет роль топлива, а кислород – окислителя. Активное использование водородных топливных элементов позволит стать на шаг ближе внедрению полноценной водородной энергетики.
Вообще, основная концепция водородной энергетики – это использование водорода в качестве аккумулятора энергии. Владельцы солнечных электростанций (даже маломощных) знают, что пик выработки электроэнергии приходится на дневное время, однако пик потребления электроэнергии приходится на вечернее время. Казалось бы есть выход, можно накапливать энергию в аккумуляторных батареях. Да, этот вариант подходит для частных домовладений, но не приемлем, когда речь идет о мега- и гигаваттных солнечных электростанция, поскольку в использовании аккумуляторов есть два главных недоставка. Первое, дороговизна, так аккумуляторные батареи могут составлять почти 50% стоимости солнечной электростанции. Второе, короткой срок службы, который составляет не более 10 лет.
Поэтому хранение энергии в виде водорода – это весьма перспективная альтернатива аккумуляторам. Избыточную энергию, которые вырабатывают солнечные панели в дневное время можно направить на получение водорода. В вечернее время, водород обратно преобразуется в электричество с помощью топливных элементов. Сказанное хорошо иллюстрирует картинка выше. Получается такой “альтернативный” цикл накопления и преобразования энергии.
