Электролиз раствора хлорида алюминия уравнение

Урок по химии «Электролиз»

Разделы: Химия

Цель урока: сформировать у учащихся понятие процесса электролиза.

Задачи урока:

1. Сформировать умение определять процессы, происходящие на электродах, составлять суммарное уравнение реакции электролиза.
2. Развивать у школьников умение пользоваться опорными знаниями, составлять конспект урока.
3. Углубить знание окислительно-восстановительных процессов, сформировать понимание практического значение электролиза в природе и жизни человека.
4. Развивать мышление, умение делать логические выводы из наблюдений по опыту.
5. Закрепить умения и навыки химического эксперимента, умение работать с таблицами, справочными материалами, дополнительной литературой, опорными схемами.

Оборудование: таблица растворимости, индикаторная шкала, штатив с пробирками, растворы фенолфталеина, сульфата меди (II), хлорида натрия, хлорида алюминия, прибор для определения электропроводимости растворов, толстостенные химические стаканы, опорные схемы урока, физическая карта России, плакаты “Электролиз водных растворов”, “Применение электролизов”.

Эпиграф: “Открытия в области электрохимии представляют собой одну из самых больших революций в химии и открывают эру новых открытий” (Джон Фредерик Даниэль, английский электрохимик).

Ход урока

1. Постановка проблемы.

Наш сегодняшний урок мне хотелось бы начать с античной легенды:

“Некий мастер, имя которого история не сохранила, принес римскому императору Тиберию, правившему в начале I века н.э., чашу из металла, напоминающего серебро, но только более легкого. Подарок стоил жизни изобретателю: Тиберий приказал казнить его, а мастерскую уничтожить, поскольку боялся, что новый металл может обесценить серебро императорской сокровищницы”. Согласно рассказу Плиния Старшего, этот металл, похожий на серебро, был получен из “глинистой земли ”.

Но история не знает безвозвратных потерь. В 1827 году немецкий ученый Фридрих Вёлер получает несколько граммов, а через несколько лет уже несколько килограммов нового легкого, прочного, блестящего металла. Но металл стоил также дорого, как серебро. Французы изготовили из него кирасы охранникам императора и игрушку наследнику Его Величества. В этом ларце находиться изделие из этого металла. Оно необходимо каждому из нас. Что же находиться в ларце? (Ответивший на вопрос ученик достает из ларца алюминиевую ложку.)

Кстати, в 1852 году это чайная ложечка весом 25 грамм стоила бы 30 долларов.

Послушаем сообщение о стоимости алюминия в 19 веке, о работах Фридриха Вёлера и Чарльза Холла.

Учащийся выступает с сообщением.

Найдем на географической карте России центры получения алюминия.

Учащиеся называют города Волгоград и Красноярск.

Почему же именно в этих городах расположены крупнейшие заводы по производству алюминия?

Учащиеся констатируют факт расположения заводов по производству алюминия вблизи крупных электростанций.

Таким образом, мы пришли к выводу, что для получения алюминия необходимы значительные затраты электроэнергии, и в записи уравнения реакции получения алюминия по способу Чарльза Холла не хватает знака “” — знака электролиза.

Сегодня мы вторгаемся в область электрохимии и рассмотрим явление электролиза. Запишем тему урока.

2. Основная часть.

Вопрос: “Что же называется электролизом ?”.

“Электро” – электрический ток, “лизис” – разложение.

Делается вывод, что электролиз – это процесс, в результате которого происходит разложение вещества под действием постоянного электрического тока.

Разложить можно практически любое вещество, поместив его в электролизер. Но в каком виде? Обычно в жидком, т.е. в виде раствора.

На плакате изображено, что в раствор электролита опускаются электроды, соединенные с источником постоянного электрического тока. Отрицательно заряженный электрод называется катод и условно обозначается К (-). Положительно заряженный электрод называется анод и обозначается А (+). В межэлектродном пространстве находится диссоциирующий на ионы электролит. Катионы, заряженные положительно, перемещаются в сторону катода, а анионы, заряженные положительно, в сторону анода. На катоде будет происходить электрохимическое восстановление катионов или молекул воды, а на аноде электрохимическое окисление анионов или молекул воды.

Дается определение: электролиз – совокупность окислительно-восстановительных процессов, протекающих в электролитах при пропускании постоянного электрического тока.

Данный прибор имитирует работу электролизера. Он поможет нам выполнить тестовое задание, текс которого находиться у вас на столах :

При электролизе раствора какой соли можно одновременно получить 0,2 моль нерастворимого основания и 13,44 л газообразных продуктов (н.у.)? Напишите уравнения процессов, происходящих на электродах в ионной и молекулярной формах:

Определим соотношение количеств газообразных продуктов и нерастворимого основания, выполним предварительные расчеты:

v (осадка) = 0,2 моль
V (газов) = 13,44 л
v (газов): v (осадка) = ?

v (газов) =V(газов) : V_m = 13.44 : 22,4 = 0,6 моль
v (газов): v (осадка) = 0,6 : 0,2 = 6 : 2 = 3 : 1

Из текста задания ясно, что нам необходимо составить уравнения электролиза растворов, определить катодные и анодные процессы, выполнить необходимые расчеты. Кто первый хочет попробовать выполнить задание п. а)?

Напишем сначала процесс электролитической диссоциации, происходящий в данном растворе.

Катион меди (II) будет перемещаться в сторону катода.

Но поскольку в околокатодном пространстве будут находиться также молекулы воды, то мы запишем это таким образом:

Пользуясь опорным конспектом [приложение № 1], определите катион меди (II) или молекулы воды будут восстанавливаться на поверхности катода?

Катион Cu 2+ входит в 3 группу катионов и он будет восстанавливаться. Вода восстановлению в данном случае не подвергается:

К(-) Cu 2+ + 2 е Cu 0
H₂O

Определим теперь процессы, происходящие на аноде.

Сульфат – анион будет перемещаться в сторону анода, в околоанодном пространстве будут так же находиться молекулы воды:

На аноде будет происходить электрохимическое окисление молекул воды, так как анион SO₄ 2 является анионом кислотного остатка оксокислоты и окислению не подвергается (1 группа анионов):

Определим соотношение коэффициентов так же, как в обычном электронном балансе:

Составим электронно-ионное уравнение, с учетом коэффициентов:

Полное электронно-ионное уравнение напишем с учетом ионов, не участвовавших в окислительно-восстановительном процессе:

Теперь мы легко напишем суммарное уравнение электролиза, не забыв поставить знак электролиза:

2CuSO₄ + 2 H₂O —> O₂ + 2Cu + 2H₂SO₄

Получился ли в результате реакции осадок? Определите это с помощью таблице растворимости.

В результате реакции электролиза осадок не образовался.

Может быть выделился газ?

В околоанодном пространстве происходит выделение кислорода.

Проверим это опытным путем – проведем электролиз водного раствора сульфата меди (II). Что вы наблюдаете?

Поверхность одного из электродов покрывается пузырьками газа.

Перейдем к выполнению задания п. б).

NaCl —> Na + + Cl –
K (-) Na +

2H₂O — 2 e —> 2OH – + H₂ (2) (1)
A (+)2Cl – — 2 e —> Cl₂ 0 (2) (1)
H₂O

2 NaCl + 2H₂O —> 2NaOH + H₂ + Cl₂

Получились ли теперь осадок и газообразные вещества?

Осадка нет, но в околокатодном пространстве происходит выделение водорода, а в околоанодном пространстве – хлора.

Проверим это опытным путем – проведем электролиз водного раствора хлорида натрия. Что вы наблюдаете?

Поверхность обоих электродов покрывается пузырьками газа, в присутствии фенолфталеина раствор окрашивается в малиновый цвет.

Выполним задание п. в).

AlCl₃ —> Al 3+ + 3Cl –
K (-) Al 3+

2AlCl₃ + 6H₂O —>3H₂ 0 +3Cl₂ + 2Al(OH)₃

С помощью таблицы растворимости определяем, что вещество Al(OH)₃ не растворимо и выпадает в осадок. В околоанодном пространстве выделяется газообразный хлор, в околокатодном пространстве – водород.

Проверим это опытным путем – проведем электролиз водного раствора хлорида алюминия. Что вы наблюдаете?

Происходит помутнение раствора.

По уравнению реакции определяем соотношение количеств газообразных продуктов и осадка.

2AlCl₃ + 6H₂O —>3H₂ 0 +3Cl₂ + 2Al(OH)₃
6 моль газов 2 моль осадка

v (газов): v (осадка) = 6: 2 = 3 : 1

Это в точности совпадает с нашими расчетами. Значит правильный ответ в этом задании в)

3. Разрешение проблемы.

Мы выполнили с вами задание, но алюминий в результате электролиза не получили. В качестве сырья мы должны взять оксид алюминия, в воде не растворимый. Но электролит в электролизере должен быть жидким. Как быть?

Обратимся к тексту учебника §18. Какой процесс протекает при электролизе расплава глинозема в криолите?

Al₂O₃ — 2Al 3 + + 3O 2 –
K (-) Al 3+ + 3 e —> Al 0 (4)
A(+) 2O 2 – — 4 e —> O 0 ₂ (3)

4Al 3 + + 6O 2 — —> 4Al 0 + 3O₂ 0

2Al₂O₃ —> 4Al + 3O₂

Мы рассмотрели с вами химические основы современного промышленного способа получения алюминия.

4. Практическое значение электролиза.

Но только ли для этого необходим электролиз? О практическом значении электролиза послушаем сообщение.

Ученик делает сообщение и выполняет демонстрационные опыты.

5. Подведение итогов, проверка результативности.

Проверим результативность нашей совместной работы, напишем графический диктант, текст которого вы видите на своих столах :

Графический диктант.

1. Электролиз можно считать окислительно-восстановительной реакцией, происходящей под воздействием электрического тока.
2. Катод – отрицательно заряженный электрод;
3. На катоде происходит процесс электрохимического окисления;
4. Анион SO₄ 2 – будет окисляться на аноде в водном растворе;
5. Анион Cl – будет окисляться на аноде в водном растворе;
6. Катион Na + будет восстанавливаться на катоде в водном растворе;
7. Катион Cu 2 + будет восстанавливаться на катоде в водном растворе;
8. Алюминий получают электролизом расплава Al₂O₃ в криолите;
9. При электролизе раствора NaCl можно получить щелочь NaOH и газы H₂ и Cl₂.

Ученики заполняют бланк химического диктанта:

Фамилия, имя_______________________________________
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ДА
НЕТ

Учащимся предлагается поменяться с соседом заполненными бланками, выставить друг другу оценки по оценочной шкале: 5 – 6 правильных ответов – оценка “3”, 7 – 8 правильных ответов – оценка “4”, 9 – правильных ответов – оценка “5”. На доске открывается шаблон с правильными ответами:

Прошу поднять руку тех учеников, которые справились с графическим диктантам на “хорошо” и “отлично”.

6. Домашнее задание.

§18, упражнение № 29, 31, 37(письменно).

Трое учеников получают карточки с дополнительным индивидуальным заданием:

Сколько килограмм алюминия можно получить при электролизе 1 тонны глинозема?

При электролизе раствора какой соли можно одновременно получить 2 моль нерастворимого гидроксида и 44,8 л газообразных продуктов (н.у.)? напишите уравнения процессов, происходящих на электродах в ионной и молекулярной формах:

ВолгГТУ, 2004 год.

В конце ХХ века появились новые данные о принципиальной возможности получения металлического алюминия в древности. Институт прикладной физики Китайского Академии наук сообщил о результатах исследования гробница полководца Чжоу-Чжу, похороненного в 297 году н.э.. спектральный анализ орнамента, украшающего саркофаг, показал, что он состоит из сплава: 85% алюминия, 10% меди, 5% магния. Анализ повторяли несколько раз. Результаты оказались те же. Как могли древние китайские мастера получить сплав алюминия?

Написать уравнение электролиза хлорида алюминия (расплава и раствора)

Расплав:
AlCl3 -> Al+ + 3Cl-
K(-) Al+ + 1e=Al0
A(+) 2Cl- — 2e=Cl2 0
2AlCl3—электролиз—>2 Al+3Cl2

раствор:
AlCl3->Al+ + 3Cl-
K(-) 2H2O+2e= 2H2+ 2OH-
A(+) 2Cl- — 2e = Cl2 0
6H2O+2AlCl3—электролиз—> 3Cl2+3H2+ 2Al(OH)3

Если ответ по предмету Химия отсутствует или он оказался неправильным, то попробуй воспользоваться поиском других ответов во всей базе сайта.

Электролиз

Электролиз

Химические реакции, сопровождающиеся переносом электронов (окислительно-восстановительные реакции) делятся на два типа: реакции, протекающие самопроизвольно и реакции, протекающие при прохождении тока через раствор или расплав электролита.

Раствор или расплав электролита помещают в специальную емкость — электролитическую ванну .

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц — ионов, электронов и др. под действием внешнего электрического поля. Электрическое поле в растворе или расплаве электролита создают электроды .

Электроды — это, как правило, стержни из материала, проводящего электрический ток. Их помещают в раствор или расплав электролита, и подключают к электрической цепи с источником питания.

При этом отрицательно заряженный электрод катод — притягивает положительно заряженные ионы — катионы . Положительно заряженный электрод ( анод ) притягивает отрицательно заряженные частицы ( анионы ). Катод выступает в качестве восстановителя, а анод — в качестве окислителя.

Различают электролиз с активными и инертными электродами. Активные (растворимые) электроды подвергаются химическим превращениям в процессе электролиза. Обычно их изготавливают из меди, никеля и других металлов. Инертные (нерастворимые) электроды химическим превращениям не подвергаются. Их изготавливают из неактивных металлов, например, платины , или графита .

Электролиз растворов

Различают электролиз раствора или расплава химического вещества. В растворе присутствует дополнительное химическое вещество — вода, которая может принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях.

Катодные процессы

В растворе солей катод притягивает катионы металлов. Катионы металлов могут выступать в качестве окислителей. Окислительные способности ионов металлов различаются. Для оценки окислительно-восстановительных способностей металлов применяют электро-химический ряд напряжений :

Каждый металл характеризуется значением электрохимического потен-циала. Чем меньше потенциал , тем больше восстановительные свойства металла и тем меньше окислительные свойства соответствующего иона этого металла. Разным ионам соответствуют разные значения этого потенциала. Электрохимический потенциал — относительная величина. Электрохимический потенциал водорода принят равным нулю.

Также около катода находятся молекулы воды Н₂О. В составе воды есть окислитель — ион H + .

При электролизе растворов солей на катоде наблюдаются следующие закономерности:

1. Если металл в соли — активный ( до Al 3+ включительно в ряду напряжений ), то вместо металла на катоде восстанавливается (разряжается) водород , т.к. потенциал водорода намного больше. Протекает процесс восстановления молекулярного водорода из воды, при этом образуются ионы OH — , среда возле катода — щелочная:

2H₂O +2ē → H₂ + 2OH —

Например , при электролизе раствора хлорида натрия на катоде будет вос-станавливаться только водород из воды.

2. Если металл в соли – средней активности (между Al 3+ и Н + ) , то на катоде восстанавливается (разряжается) и металл , и водород , так как потенциал таких металлов сравним с потенциалом водорода:

Me n+ + nē → Me 0

2 H + ₂O +2ē → H₂ 0 + 2OH —

Например , при электролизе раствора сульфата железа (II) на катоде будет восстанавливаться (разряжаться) и железо, и водород:

Fe 2+ + 2ē → Fe 0

2 H + ₂O +2ē → H₂ 0 + 2OH —

3. Если металл в соли — неактивный (после водорода в ряду стандартных электрохимических металлов) , то ион такого металла является более сильным окислителем, чем ион водорода, и на катоде восстанавливается только металл:

Me n+ + nē → Me 0

Например, при электролизе раствора сульфата меди (II) на катоде будет восстанавливаться медь:

Cu 2+ + 2ē → Cu 0

4. Если на катод попадают катионы водорода H + , то они и восстанавливаются до молекулярного водорода:

2H + + 2ē → H₂ 0

Анодные процессы

Положительно заряженный анод притягивает анионы и молекулы воды. Анод – окислитель. В качестве восстановителей выступаю либо анионы кислотных остаток, либо молекулы воды (за счет кислорода в степени окисления -2: H ₂ O -2 ).

При электролизе растворов солей на аноде наблюдаются следующие закономерности:

1. Если на анод попадает бескислородный кислотный остаток , то он окисляется до свободного состояния (до степени окисления 0):

неМе n- – nē = неМе 0

Например : при электролизе раствора хлорида натрия на аноде окисляют-ся хлорид-ионы:

2Cl — – 2ē = Cl₂ 0

Действительно, если вспомнить Периодический закон: при увеличении электроотрицательности неметалла его восстановительные свойства уменьшаются. А кислород – второй по величине электроотрицательности элемент. Таким образом, проще окислить практически любой неметалл, а не кислород. Правда, есть одно исключение . Наверное, вы уже догадались. Конечно же, это фтор. Ведь электроотрицательность фтора больше, чем у кислорода. Таким образом, при электролизе растворов фторидов окисляться будут именно молекулы воды, а не фторид-ионы :

2H₂ O -2 – 4ē → O₂ 0 + 4H +

2. Если на анод попадает кислородсодержащий кислотный остаток, либо фторид-ион , то окислению подвергается вода с выделением молекулярно-го кислорода:

2H₂ O -2 – 4ē → O₂ 0 + 4H +

3. Если на анод попадает гидроксид-ион, то он окисляется и происходит выделение молекулярного кислорода:

4 O -2 H – – 4ē → O₂ 0 + 2H₂O

4. При электролизе растворов солей карбоновых кислот окислению под-вергается атом углерода карбоксильной группы, выделяется углекислый газ и соответствующий алкан.

Например , при электролизе растворов ацетатов выделяется углекислый газ и этан:

2 CH₃ C +3 OO – –2ē → 2 C +4 O₂+ CH₃-CH₃

Суммарные процессы электролиза

Рассмотрим электролиз растворов различных солей.

Например , электролиз раствора сульфата меди. На катоде восстанавливаются ионы меди:

Катод (–): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

На аноде окисляются молекулы воды:

Анод (+): 2H₂ O -2 – 4ē → O₂ + 4H +

Сульфат-ионы в процессе не участвуют. Мы их запишем в итоговом уравнении с ионами водорода в виде серной кислоты:

2 Cu 2+ SO₄ + 2H₂ O -2 → 2 Cu 0 + 2H₂SO₄ + O₂ 0

Электролиз раствора хлорида натрия выглядит так:

На катоде восстанавливается водород:

Катод (–): 2 H + ₂O +2ē → H₂ 0 + 2OH –

На аноде окисляются хлорид-ионы:

Анод (+): 2 Cl – – 2ē → Cl₂ 0

Ионы натрия в процессе электролиза не участвуют. Мы записываем их с гидроксид-анионами в суммарном уравнении электролиза раствора хлорида натрия :

2 H + ₂O +2Na Cl – → H₂ 0 + 2NaOH + Cl₂ 0

Следующий пример : электролиз водного раствора карбоната калия.

На катоде восстанавливается водород из воды:

Катод (–): 2 H + ₂O +2ē → H₂ 0 + 2OH –

На аноде окисляются молекулы воды до молекулярного кислорода:

Анод (+): 2H₂ O -2 – 4ē → O₂ 0 + 4H +

Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия ионы калия и карбонат-ионы в процессе не участвуют. Происходит электролиз воды:

2 H₂ + O -2 → 2 H₂ 0 + O₂ 0

Еще один пример : электролиз водного раствора хлорида меди (II).

На катоде восстанавливается медь:

Катод (–): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

На аноде окисляются хлорид-ионы до молекулярного хлора:

Анод (+): 2 Cl – – 2ē → Cl₂ 0

Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия происходит электролиз воды:

Cu 2+ Cl₂ – → Cu 0 + Cl₂ 0

Еще несколько примеров: электролиз раствора гидроксида натрия.

На катоде восстанавливается водород из воды:

Катод (–): 2 H + ₂O +2ē → H₂ 0 + 2OH –

На аноде окисляются гидроксид-ионы до молекулярного кислорода:

Анод (+): 4 O -2 H – – 4ē → O₂ 0 + 2H₂O

Таким образом, при электролизе раствора гидроксида натрия происходит разложение воды, катионы натрия в процессе не участвуют:

2 H₂ + O -2 → 2 H₂ 0 + O₂ 0

Электролиз расплавов

При электролизе расплава на аноде окисляются анионы кислотных остатков, а на катоде восстанавливаются катионы металлов. Молекул воды в системе нет.

Например: электролиз расплава хлорида натрия. На катоде восстанавли-ваются катионы натрия:

Катод (–): Na + + ē → Na 0

На аноде окисляются анионы хлора:

Анод (+): 2 Cl – – 2ē → Cl₂ 0

Суммарное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:

2 Na + Cl – → 2 Na 0 + Cl₂ 0

Еще один пример: электролиз расплава гидроксида натрия. На катоде восстанавливаются катионы натрия:

Катод (–): Na + + ē → Na 0

На аноде окисляются гидроксид-ионы:

Анод (+): 4 OH – – 4ē → O₂ 0 + 2H₂O

Суммарное уравнение электролиза расплава гидроксида натрия:

4 Na + OH – → 4 Na 0 + O₂ 0 + 2H₂O

Многие металлы получают в промышленности электролизом расплавов.

Например , алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия в расплаве криолита. Криолит – Na₃[AlF₆] плавится при более низкой температуре (1100 о С), чем оксид алюминия (2050 о С). А оксид алюминия отлично растворяется в расплавленном криолите.

В растворе криолите оксид алюминия диссоциирует на ионы:

На катоде восстанавливаются катионы алюминия:

Катод (–): Al 3+ + 3ē → Al 0

На аноде окисляются алюминат-ионы:

Анод (+): 4Al O ₃ 3 – – 12ē → 2Al₂O₃ + 3 O₂ 0

Общее уравнение электролиза раствора оксида алюминия в расплаве криолита:

2 Al ₂ О ₃ = 4 Al 0 + 3 О ₂ 0

В промышленности при электролизе оксида алюминия в качестве электродов используют графитовые стержни. При этом электроды частично окисляются (сгорают) в выделяющемся кислороде:

C 0 + О₂ 0 = C +4 O₂ -2

Электролиз с растворимыми электродами

Если материал электродов выполнен из того же металла, который присут-ствует в растворе в виде соли, или из более активного металла, то на аноде разряжаются не молекулы воды или анионы, а окисляются частицы самого металла в составе электрода.

Например , рассмотрим электролиз раствора сульфата меди (II) с медными электродами.

На катоде разряжаются ионы меди из раствора:

Катод (–): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

На аноде окисляются частицы меди из электрода :

Анод (+): Cu 0 – 2ē → Cu 2+