Електроліз

Окисно-відновні процеси, які відбуваються на електродах внаслідок пропускання постійного електричного струму від зовнішнього джерела через розчин або розплав електроліту, називають електролізом.

Процес відновлення катіонів, який відбувається на катоді, що має негативний потенціал, називають катодним процесом, а процес окиснення аніонів, який відбувається на аноді, що має позитивний потенціал,– анодним. Перебіг цих процесів залежить від багатьох чинників: природи окисника і відновника, концентрації йонів, температури, природи електродів, розчинника тощо.

Майже всі метали, що легко окиснюються (натрій, калій, кальцій тощо), одержують електролізом їх розплавлених солей або основ.

Слід мати на увазі, що під час електролізу матеріал анода може окиснюватися. Тому розрізняють електроліз з інертним і з активним анодом.

Анод, матеріал якого не окиснюється під час електролізу, називається інертним.

Анод, матеріал якого здатний окиснюватися під час електролізу, називається активним.

Найчастіше інертні аноди виготовляють із графіту і платини.

Розглянемо процеси, які відбуваються при електролізі з інертними електродами.

1 Електроліз розплавів

Під час проходження електричного струму крізь розплав, наприклад, солі NaCl катіони Na⁺ рухаються до негативно зарядженого електрода, де відновлюються, взаємодіючи з електронами, що надходять по зовнішньому колу:

Na⁺ + 1 ē = Na.

Аніони Сl^- рухаються до позитивно зарядженого електрода, де окиснюються, віддаючи надлишкові електрони:

2 Сl^– – 2 ē = Сl₂.

У результаті одержуємо два продукти: на катоді – металічний натрій, а на аноді – газоподібний хлор.

Отже, сумарне рівняння окисно-відновної реакції, що відбувається під час електролізу розплаву NaCl, матиме вигляд:

2Na⁺ + 2 Сl^– = 2Na + Сl₂.

2 Електроліз водних розчинів солей

При появі двох і більше йонів одного виду, що часто буває у водних розчинах, слід знати послідовність електродних процесів.

Катодні процеси

Очевидно, що при електролізі насамперед розряджається той з катіонів, потенціал розряджання якого найменш негативний (найбільш позитивний). Під час проходження електричного струму крізь водні розчини солей активних металів, розміщених у ряді електрохімічних потенціалів до алюмінію включно, на катоді відновлюватимуться не йони металу, а молекули води, і катодний процес матиме вигляд:

2H₂O + 2 ē = H₂ + 2OH^–,

2H₃O⁺ + 2 ē = H₂ + 2H₂O.

При електролізі солей металів середньої активності на катоді проходять два процеси – відновлюватимуться і йони металу, і молекули води. Катодний процес матиме вигляд:

Zn²⁺ + 2 ē = Zn,

2H₂O + 2 ē = H₂ + 2OH^–.

При електролізі солей пасивних металів на катоді відновлюватимуться тільки йони металу:

Cu²⁺ + 2 ē = Cu.

Анодні процеси

Наближено послідовність розряджання аніонів можна виразити правилом:

Спочатку розряджаються аніони безоксигеновмісних кислот, а потім молекули води.

Оксигеновмісні аніони (SO₄^2-, NO₃^-, PO₄^3– тощо) або взагалі не здатні до окиснення, або потребують дуже високих потенціалів. Наприклад, стандартний потенціал окиснення йону SO₄^2- до S₂O₈^2- становить 2,010 В, що набагато перевищує стандартний потенціал окиснення молекул води (1,228 В).

Отже, за наявності сульфатів на аноді відбувається реакція:

2 Н₂О – 4 ē = О₂ + 4Н⁺.

Такий самий процес відбувається в кислому, нейтральному і слабколужному середовищах, а в лужному середовищі –окиснюються гідроксид-іони:

4 ОН^– – 4 ē = О₂ + 2Н₂О.

Приклад 1. Електроліз солі, утвореної активним металом та безоксигеновмісною кислотою

В прикатодному просторі середовище стає лужним.

Приклад 2. Електроліз солі, утвореної активним металом та оксигеновмісною кислотою

У прикатодному просторі середовище стає лужним, в прианодному – кислим.

Приклад 3. Електроліз солі, утвореної металом середньої активності та оксигеновмісною кислотою

На катоді відбуваються два процеси, при цьому в прикатодному просторі середовище стає лужним, у прианодному – кислим.

Приклад 4. Електроліз солі, утвореної пасивним металом та безоксигеновмісною кислотою