Анодные процессы при электролизе водного раствора солей

Катодные процессы при электролизе водного раствора солей

Потенциал	Металлы	Катодный процесс	Ионы в катодном пространстве
j > 0	Bi – Au	Me+n + n×ē → Me0	–
-1 < j < 0	Mn – Pb	2H2O + 2ē → H2 + 2OH- Me+n + n×ē → Me0	Me+n, OH-
j < 1	Cs – Ti	2H2O + 2ē → H2 + 2OH-	Me+n, OH-

 

На аноде в первую очередь будут окисляться самые сильные восстановители, то есть анионы, имеющие наименьшую величину электродного потенциала. Молекулы воды начинают окисляться при величине электродного потенциала, равной +1,23 В.

2H₂O - 4ē → O₂ + 4H⁺

То есть все анионы, имеющие электродный потенциал меньше этой величины, будут окисляться из водных растворов. Это практически все кислотные остатки бескислородных кислот, за исключением фторид – иона.

2Cl^- - 2ē → Cl₂^o.

Анионы, имеющие электродный потенциал, больше +1,23 В, окисляться в водных растворах не будут, так как на аноде будет происходить окисление молекул воды. В эту группу попадают все кислотные остатки кислородосодержащих кислот с максимальной степенью окисления центрального элемента, а также фторид – ион.

 

Анодные процессы при электролизе водного раствора солей

Ионы	Анодный процесс	Ионы в анодном пространстве
Cl-, Br-, I-, S-2	2Cl- - 2ē → Cl20	–
F-, SO4-2, NO3-, CO3-2, PO4-3	2H2O - 4ē → O2 + 4H+	H+, F-, SO4-2, NO3-, CO3-2, PO4-3

 

В приэлектродном пространстве около анода будут накапливаться ионы водорода и анионы кислотных остатков.

Примеры:

1. Электролиз раствора хлорида меди:

CuCl₂ ↔ Cu²⁺ + 2Cl^-. Катионы меди притягиваются к катоду и восстанавливаются на нем: К: Cu²⁺ + 2ē → Cu^o. Хлорид-анионы притягиваются к аноду и окисляются на нем:

   А: 2Cl^- - 2ē → Cl₂^o. Общая реакция электролиза водного раствора хлорида меди:

СuCl₂ + H₂O → Cu^o + Cl₂^o + H₂O.

В данном случае молекулы воды в процессе электролиза не участвуют.

2. Электролиз раствора сульфата железа ( II):

FeSO₄ ↔ Fe²⁺ + SO₄^2-.  Катионы железа притягиваются к катоду, в процессе восстановления участвуют одновременно и катионы железа, и молекулы воды:

К: Fe²⁺ + 2ē → Fe^o;

2Н₂О + 2ē → Н₂ + 2ОН^-.

Вторичный процесс в прикатодном пространстве: Fe²⁺ + 2ОН^- → Fe(OH)₂.

Сульфат – анионы притягиваются к аноду, но не окисляются, так как преимущественно идет процесс окисления молекул воды:

2H₂O - 4ē → O₂ + 4H⁺

В прианодном пространстве образуются молекулы кислоты:

2H⁺ + 2SO₄^2- ↔ H₂SO₄.

В данном примере в процессе электролиза принимают участие как молекулы соли, так и молекулы воды.

3. Электролиз водного раствора нитрата калия:

KNO₃ ↔ K⁺ + NO₃^-. Катионы калия притягиваются к катоду, но не восстанавливаются на нем, так как преимущественным процессом будет процесс восстановления молекул воды:

2Н₂О + 2ē → Н₂ + 2ОН^-.

В прикатодном пространстве катионы калия и гидроксид-анионы образуют молекулы основания:

K⁺ + ОН^- ↔ КОН.

Нитрат – анионы будут притягиваться к аноду, но окисляться не будут, так как преимущественным процессом будет восстановление молекул воды:

2H₂O - 4ē → O₂ + 4H⁺

В прианодном пространстве образуются молекулы кислоты:

H⁺ + NO₃^- ↔ HNO₃.

 

В этом случае электролизу подвергаются только молекулы воды, а молекулы соли принимают участие во вторичных процессах.

 

4. Растворимые и нерастворимые аноды

 

Электродные потенциалы большинства металлов меньше +1,23 В. Это означает, что если анод изготовить из такого металла, то анод станет участвовать в электродном процессе, начнет растворяться:

Cu^o -2ē → Cu²⁺.

Такие электроды, изготовленные из металлов (кроме платины и золота, электродный потенциал которых больше +1,23 В) называются активными или растворимыми. При электролизе водного раствора с растворимым анодом на аноде будет происходить растворение материала анода (окисление металла), а молекулы воды и анионы кислотных остатков окисляться не будут.

Аноды, изготовленные из графита, угля, платины или золота в процессе окисления участия не принимают, а только проводят электрический ток. Такие аноды называются инертными или нерастворимыми.

 

5. Практическое применение электролиза

 

Процессы электролиза широко применяются в различных сферах народного хозяйства.

1. Гальванотехника. Это применение электролиза для выделения металлов из растворов их солей и осаждение этих металлов на поверхности металлических и неметаллических изделий. Различают два вида гальванотехники: гальваностегия и гальванопластика.

а) гальваностегия: получение электрохимическим путем тонких металлических покрытий, прочно связанных с покрываемым предметом, который закрепляется на катоде. Примером может служить нанесение хромированных, никелированных покрытий.

б) гальванопластика: получение путем электролиза рельефных изображений достаточной толщины, имеющих необходимую прочность без носителя. Метод применяют для снятия точных рельефных копий.

2. Электрометаллургия. Это различные электрохимические методы получения металлов из растворов и расплавов их соединений путем восстановления на катоде. таким образом получают алюминий, щелочные металлы, цинк, медь и т.п. К электрометаллургии относят и электрорафинирование – то есть очистку металлов путем закрепления куска неочищенного металла в качестве растворимого анода.

3. Электросинтез. Получение различных химических соединений (неорганических и органических) электрохимическим путем. Этим методом получают сильные окислители: перманганаты, перхлораты, пероксид водорода и т.п. Методом электролиза можно получать газы, например водород и кислород высокой степени чистоты.

4. Электроанализ. Методы электролиза применяют в аналитической химии для количественного определения различных веществ. Например, метод кулонометрии, электрогравиметрии и т.п.

5. Очистка воды. Электролиз используют для удаления из воды ионов тяжелых металлов.

6. Анодирование. Получение на поверхности металла защитных оксидных пленок.

7. Электрохимическая обработка поверхности металла. Это полировка твердых металлических поверхностей, снятие тонкого слоя металла при изготовлении деталей сложной формы, заточка режущего инструмента.

8. Электрохимическое окрашивание металла.

9. Выборочное травление металла при изготовлении клише, нанесении рисунка и т.п.

10. Зарядка аккумуляторов.