Закон электролиза

Количественная характеристика процессов электролиза дана Фарадеем: масса электролита, подвергающая электролизу, а также массы образующихся на электродах веществ прямо пропорциональны количеству электричества, прошедшего через раствор или расплав электролита, и молярным массам эквивалента соответствующих веществ.

m = (Mэ It) / F

I – сила тока в А;

t – время, сек.;

F – постоянная Фарадея (96500 Кл / моль) или 26,8А  ч

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется степенью окисления? Правила для степеней окисления.

2. Основные положения электронной теории окислительно – восстановительных реакций.

3. Какой процесс называется окислением и восстановлением?

4. Назовите основные окислители и восстановители.

5. Что такое стандартный электродный потенциал?

6. Какой электрод в гальваническом элементе – восстановитель, какой – окислитель?

7. Что такое электролиз?

8. Из каких материалов изготовляют инертные электроды?

9. В чем заключается биологическое значение окислительно-восстановительных процессов.

10. Как влияет среда на характер протекания ОВР?

Примеры решения типовых задач Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций (метод полуреакций)

При составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций рекомендуется придерживаться следующего порядка:

1. Составлять схему реакции с указанием исходных и образующихся веществ, отметить элементы, изменяющие в результате реакции степень окисленности, найти окислитель и восстановитель.

2. Составить схемы полуреакций окисления и восстановления с указанием исходных и образующихся реально существующих в условиях реакции ионов или молекул.

3. Уравнять число атомов каждого элемента в левой и правой частях полуреакций; при этом следует помнить, что в водных растворах в реакциях могут участвовать молекулы Н₂О, ионы Н⁺ или ОН^-.

4. Уравнять суммарное число зарядов в обеих частях каждой полуреакции; для этого прибавить к левой и правой частям полуреакции необходимое число электронов.

5. Подобрать множители (основные коэффициенты) для полуреакий так, чтобы число электронов, отдаваемых при окислении, было равно числу электронов, принимаемых при восстановлении.

6. Сложить уравнения полуреакций с учетом найденных основных коэффициентов.

7. Расставить коэффициенты в уравнении реакции.

Следует иметь в виду, что в водных растворах связывание избыточного кислорода и присоединение кислорода восстановителем происходит по разному в кислой, нейтральной и щелочной средах. В кислыхрастворах избыток кислорода связывается ионами водорода с образованием молекул воды, а в нейтральных и щелочных – молекулами воды с образованием гидроксид-ионов, например:

MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^- = Mn²⁺ = 4H₂O (кислая среда)

NO₃^- + 6H₂O + 8e^- = NH₃ +9OH^- (нейтральная или щелочная среда)

Присоединение кислорода восстановителем осуществляется в кислой и нейтральной средах за счет молекул воды с образованием ионов водорода, а в щелочной среде – за счет гидроксид-ионов с образованием молекул воды, например:

I₂ + 6H₂O = 2IO₃^- + 12H⁺ + 10e^- (кислая или нейтральная среда)

CrO₂^- + 4OH^- = CrO₄^2- + 2H₂O + 3e^- (щелочная среда).

Задача 1.Окисление сульфида мышьяка (III) концентрированной азотной кислотой происходит по схеме:As₂S₃ + HNO₃H₃AsO₄ + H₂SO₄ + NOЗакончить уравнение реакции.

Решение: В ходе реакции окисляются и мышьяк, и сера: степень окисленности мышьяка повышается от +3 до +5, а серы – от –2 до +6. При этом одна молекула As₂S₃ превращается в два иона AsO₄^3- и три иона SO₄^2-:

As₂S₃ 2AsO₄^3- + 3SO₄^2-

Источником кислорода, необходимого для протекания этого процесса, служат в кислой среде молекулы воды. Для образования двух ионов AsO₄^3- требуется восемь молекул воды, а для образования трех ионов SO₄^2- - ещё двенадцать. Всего, следовательно, в полуреакции окисления примут участие двадцать молекул воды, причем высвобождаются сорок ионов водорода:

As₂S₃ + 20H₂O  2AsO₄^3- + 3SO₄^2- + 4OH⁺

В левой части схемы заряженных частиц нет, а суммарный заряд частиц правой части равен +28; таким образом; при окислении одной молекулы As₂S₃ отдается 28 электронов. Окончательно получаем уравнение полуреакции окисления в следующем виде:

As₂S₃ + 20H₂O = 2AsO₄^3- + 3SO₄^2- + 4OH⁺ + 28e^-

При составление уравнения полуреакции восстановления азота исходим из схемы: NO₃^-NO. В ходе этого процесса высвобождаются два атома кислорода, которые в кислой среде связываются в две молекулы воды четырьмя ионами водорода:

NO₃^- + 4H⁺NO + 2H₂O

Суммарный заряд ионов в левой части схемы равен +3, а правая часть заряженных частиц не содержит. Следовательно, в процессе восстановления принимают участие три электрона:

NO₃^- + 4H⁺ + 3e^- = NO + 2H₂O

Отношение чисел электронов, участвующих в процессах окисления и восстановления, равно 28 : 3. Поэтому, суммируя уравнения полуреакций, первое из них умножаем на 3, а второе – на 28:

As₂S₃ + 20H₂O = 2AsO₄^3- + 3SO₄^2- + 40H⁺ + 28e^- 3

NO₃^- + 4H⁺ + 3e^- = NO + 2H₂O 28

3As₂S₃ + 28NO₃^- + 12H⁺ 60H₂O =

6AsO₄^3- + 9SO₄^2- + 28NO + 120H⁺ + 56H₂O

После приведения подобных членов в обеих частях уравнения получаем

3As₂S₃ + 28NO₃^- +4H₂O = 6AsO₄^3- + 9SO₄^2- + 28NO + 8H⁺

или в молекулярной форме:

3As₂S₃ + 28HNO₃ + 4H₂O = 6H₃AsO₄ + 9H₂SO₄ + 28NO

В тех случаях, когда окислительно-восстановительная реакция происходит не в водной среде, рекомендуется не составлять уравнения полуреакций , а ограничиться подсчетом числа элктронов, принимающих участие в окислении и восстановлении.

Задача 2.Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций методом электронно-ионного баланса.

Составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции между перманганатом калия и сульфитом натрия в среде серной кислоты.

Решение:KMnO₄иNa₂SO₃– сильные электролиты, поэтому в растворе они практически полностью диссоциируют на ионы. Окисляющим началом является анион MnO₄^–, в котором марганец находится в степени окисления +7. В то же время у серы в сульфит-анионе имеется ресурс окисления до сульфат-аниона, поэтому он является восстановителем. Известно, что в кислой среде перманганат-анион восстанавливается до Mn²⁺. Поэтому уравнения полуреакций записываются в виде:

2	MnO4– + 8Н+ + 5е Mn2+ + 4 Н2О	восстановление, окислитель KMnO4
5	SО32– + Н2О – 2е SО42– + 2Н+	Окисление, восстановитель Nа2SO3

2MnO₄ ^– + 16Н⁺ + 5SО₃^2– +5Н₂О 2Mn²⁺ + 8 Н₂О + 5SО₄^2– + 10Н⁺

Можно видеть, как пара Н⁺ – Н₂О осуществляет перераспределение кислорода между реагентами и продуктами реакции.

Коэффициенты перед строками уравнений полуреакций отражают требования электронного баланса: количество электронов, принятых окислителем должно быть равно количеству электронов, отданных восстановителем. Суммирование левых и правых частей уравнений реакций с учетом умножения их на указанные коэффициенты дает уравнение окислительно-восстановительной реакции в ионно-молекулярной форме, приведенное под чертой. Сокращение подобных членов в этом уравнении приводит к более компактной его форме

Переход к молекулярной форме приводит к окончательному виду уравнения: Задача 3.Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций, протекающих в нейтральной среде.

Составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции между сульфатом марганца(II) и перманганатом калия.

Решение: Продуктомэтой реакции является MnO₂, следовательно, в роли окислителя выступает анион , а восстановителя – . Составляем уравнение полуреакции, учитывая, что в левой части этих уравнений в качестве перераспределителя кислорода выступает вода.

2	MnO4– + 2Н2О+ 3е MnО2 + 4ОН –	восстановление, окислитель MnO4–
3	Mn2+ + 2Н2О – 2е MnО2+ 4Н+	Окисление, восстановитель Mn2+

2MnO₄ ^– + 10Н₂О+ 3Mn²⁺ 5MnО₂ + 8ОН ^–+ 12Н⁺.

Суммирование левых и правых частей уравнений полуреакций с учетом умножения их строк на приведенные коэффициенты дает ионно-молекулярное уравнение, представленное под чертой. С учетом того, что рекомбинация 8Н ⁺ и 8ОН ^– в правой части этого уравнения дает 8 молекул воды, сокращаем воду в левой и правой частях и получаем уравнение

2MnO₄ ^– + 2Н₂О+ 3Mn²⁺ 5MnО₂ + 4Н⁺.

Переход к молекулярной форме приводит к окончательному виду уравнения: .

Задача 4.Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций с участием органических соединений.

Составьте уравнение реакции окисления этилбензола перманганатом калия в нейтральной среде.

Решение: Роль окислителя в этой реакции выполняет перманганат-анион, а восстановителя – этилбензол, . В нейтральной среде перманганат-анион переходит в , а этилбензол деструктивно окисляется до бензойной кислоты и углекислого газа. В этой связи уравнение полуреакций записывается в виде

4	MnO4– + 2Н2О+ 3е MnО2 + 4ОН –	восстановление, окислитель MnO4–
1	+ 4Н2О – 12е + + 12Н+	Окисление, восстановитель

4MnO₄ ^– + 12Н₂О+ 4MnО₂ + + + + 12 Н₂О+ 4ОН ^–

Сокращая воду в левой и правой частях полученного уравнения и учитывая взаимодействия

+ ОН ^– + Н₂О

+ 2ОН ^– + Н₂О,

приходим к уравнению

4MnO₄ ^– + 4MnО₂ + + +2Н₂О+ ОН^-