Глава 12. ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРОВ И РАСПЛАВОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

• Процессы электролиза. Законы Фарадея Электролизом называют окислительно-восстановительные про-

цессы, протекающие на электродах при пропускании постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита. Электролиз осуществляют с помощью источников постоянного тока в устройствах, называемых электролизерами. Электрод, соеди- нённый с отрицательным полюсом источника тока, называют като- дом, а электрод, подключённый к положительному полюсу, – анодом. На аноде протекают реакции окисления, на катоде – восстановления. Процессы электролиза могут проходить с растворимым или не- растворимым анодом. Металл, из которого сделан анод, непосред- ственно участвует в реакции окисления, т. е. отдаёт электроны и в ви- де ионов переходит в раствор или расплав электролита. Типичным случаем электролиза с растворимым анодом является электролиз вод- ного раствора соли, содержащей ион металла, из которого изготовлен анод. Например, электролиз раствора NiCl₂ с никелевым анодом: NiCl₂ = Ni ²⁺ + 2Cl^–, реакция на катоде: Ni²⁺ + 2e^– = Ni, реакция на аноде:                       Ni – 2e^– = Ni²⁺. Нерастворимые аноды сами не принимают непосредственного участия в окислительном процессе, а являются только переносчиками электронов. В качестве нерастворимых анодов могут быть использова- ны графит, инертные металлы, такие как платина, иридий и др. На не- растворимых анодах идёт реакция окисления какого-либо восстанови- теля, находящегося в растворе. Отрицательные ионы окисляются на аноде в определённой по- следовательности. По активности к окислению анионы могут быть расположены в ряд: S^2–, J^–, Br^–, Cl^–, OH^–, (H₂O), SO2- , NO- , SO2- , NO^— . 3                 2             4                 3 При характеристике катодных реакций следует иметь в виду, что последовательность восстановления ионов металлов зависит от поло- жения металла в ряду напряжений и от концентрации их в растворе. Если в растворе одновременно находятся ионы двух или нескольких металлов, то в первую очередь восстанавливаются ионы того металла, который имеет более положительный потенциал. Если потенциалы   двух металлов близки, то наблюдается совместное выделение двух металлов, т.е. образуется сплав. В водных растворах на катоде сов- местно с такими металлами, как цинк, хром, марганец и другими мо- жет восстанавливаться также водород. В растворах, содержащих ионы щелочных и щелочноземельных металлов (стандартный потенциал которых отрицательнее, чем – 1,5 В), на катоде при электролизе выде- ляется только водород. Примеры электролиза с нерастворимым анодом.

1. Электролиз раствора хлорида калия

KCl = K ⁺ + Cl^–. Под действием электрического поля ионы калия будут двигаться к катоду, но восстанавливаться не будут, так как потенциал калия очень отрицателен (j = – 2,9 В). В этом случае на катоде будет восста- навливаться водород из воды. На аноде будут окисляться ионы хлора: на катоде: 2H₂O + 2e^– = H₂ + 2OH^–, на аноде: 2Cl^– – 2e^– = Cl₂.

2. Электролиз раствора серной кислоты

4

H₂SO₄ = 2H⁺ + SO2- . Из положительных ионов в растворе содержатся только ионы во-   дорода. Они и будут восстанавливаться на катоде. Ионы SO2- окис-  

4

ляться на аноде не будут, так как сера в кислотном остатке находится в высшей степени окисления. В водном растворе в этом случае на аноде идёт окисление воды: на катоде: 4H⁺ + 4e^– = 2H₂, на аноде: 2H₂O – 4e^– = O₂ + 4H⁺. Суммарная реакция электролиза: 2H₂O = 2H₂ + O₂. Таким образом, при электролизе раствора серной кислоты на электродах идёт разложение воды. Количество окисленного или восстановленного на электродах вещества может быть рассчитано согласно закону Фарадея: m = M Э  × I × t , F где m – масса вещества, г; M_Э – эквивалентная масса, г/моль экв; I – сила тока, А; τ – время, с; F – число Фарадея, F = 96480 Кл/моль. Если при электролизе на электродах выделяются вещества в га- зообразном состоянии, то объём можно подсчитать по формуле   V = VЭ F × I × t ,   где V – объём газа, л; V_Э – эквивалентный объём газа, л/моль экв.  

12.2.  Выполнение лабораторной работы

Приборы и реактивы: выпрямитель тока; магазин сопротивле- ний; амперметр; штатив; зажимы; соединительные провода; графито- вые электроды; сушильный шкаф; весы; образцы медной проволоки диаметром 2 мм; никелевый анод; электролизер. Раствор электролита для никелирования: сульфат никеля 0,5 М, хлорид никеля 0,2 М, бор- ная кислота 0,5 М. Раствор для  обезжиривания:  гидроксид  натрия 0,5 М, карбонат натрия 0,25 М, ортофосфат натрия 0,1 М. Раствор для активации: серная кислота 0,1 М. Растворы: хлорида натрия 0,1 М; сульфата натрия 0,1 М; сульфата меди (II) 0,1 М; иодида калия 0,1 М. Фенолфталеин; лакмус.   Опыт 1

Электролиз раствора хлорида натрия

Закрепить электролизер, которым служит U-образная стеклян- ная трубка, на штативе. Налить в неё на ²/₃ объёма раствор хлорида натрия. Вставить в оба отверстия трубки электроды и включить по- стоянный ток напряжением 4 – 6 В. Электролиз вести 3 – 5 мин. После этого добавить в раствор к катоду несколько капель фе- нолфталеина, а в раствор к аноду ‒ несколько капель раствора иодида калия. Наблюдать окрашивание раствора у катода и анода. Какие процессы проходят на катоде и аноде? Написать уравнения реакций, происходящих на катоде и аноде. Как изменился характер среды в растворе у катода?   Опыт 2

Электролиз раствора сульфата натрия

В электролизер налить раствор сульфата натрия. В раствор к ка- тоду и аноду прилить несколько капель нейтрального лакмуса. Вклю- чить ток и через 3 – 5 мин наблюдать изменение цвета раствора элек- тролита в прикатодном и прианодном пространстве. Написать уравнения реакций, происходящих на катоде и аноде. Как изменился характер среды в прикатодном и прианодном про- странстве раствора?   Опыт 3

Электролиз раствора сульфата меди (II)

В электролизер налить раствор сульфата меди (II). Пропустить ток в течение 5 – 10 мин до появления заметного слоя розовой меди на катоде. Составить уравнение электродных реакций.   Опыт 4

Электролиз раствора сульфата меди (II) с использованием растворимого анода

Использовать электролизер с раствором и электродами после тре- тьего опыта. Переключить полюса электродов на клеммах источника тока. После этого электрод, который был катодом, теперь будет анодом, а электрод, бывший анодом, ‒ катодом. Таким образом, электрод, по- крытый в предыдущем опыте медью, будет выполнять в данном опыте роль растворимого анода. Электролиз проводить до полного растворе- ния меди на аноде. Что происходит на катоде? Написать уравнения реакций.   Опыт 5

Электролитическое осаждение никелевых покрытий

Собрать установку для электролиза. Использовать в качестве ис- точника питания выпрямитель переменного тока. В электрическую цепь включить магазин сопротивлений и амперметр. Анод подклю- чить к положительному полюсу источника тока, а катод к отрицатель- ному (схему подключения проверить у преподавателя). С помощью штатива и зажима закрепить никелевый анод в электролизере. Проволочный медный образец скрутить в цилиндрическую спи- раль диаметром 15 мм с таким расчетом, чтобы площадь поверхности части образца, погруженной в раствор электролита, составляла 5 см². Взвесить образец. Выдержать его в горячем (50 – 60 °С) щелочном рас- творе для обезжиривания в течение 5 мин. Затем образец промыть водой и обработать в активирующем растворе 0,1 М серной кислоты. Снова промыть водой. Налить в электролизер раствор электролита для никелирования, подогретый до 60 °С. С помощью штатива и зажима закрепить прово- лочный образец в электролизере. Включить ток силой 100 мА. Элек- тролиз проводить в течение 45 мин. Строго следить за постоянством величины силы тока. В случае отклонения силы тока от заданной ве- личины корректировать её с помощью магазина сопротивлений.