Суммарное уравнение электролиза водного раствора хлорида олова

Получение гидроксида свинца

Задача 1107.
Гидроксид свинца (II) может быть получен в результате взаимодействия: а) свободного металла с водой; б) оксида свинца (II) с водой; в) соли свинца (II) со щелочью?
Решение:
Гидроксид свинца (II) может быть получен при действии щелочей на растворимые соли свинца (II):

В избытке щёлочи осадок гидроксида свинца (II) растворяется с образованием аквакомплекса:

В кислотах гидроксид свинца (II) растворяется с образованием солей, реакция протекает по механизму реакции нейтрализации:

Электролиз водного раствора хлорида олова (II)

Задача 1108.
Какой из процессов протекает на оловянном аноде при электролизе водного раствора хлорида олова (II)?
а) Sn = Sn 2+ + 2 ₁ 0 = -0,14 В;
б) 2Cl – = Cl₂ + 2 ₂ 0 = 1,36 B;
в) 2H₂O = O₂ + 4H + + 4 ₃ 0 = 1,23 B.
Решение:
Стандартный электродный потенциал олова (-0,14 В) несколько выше, чем потенциал водорода в нейтральной среде (-0,41 В). Это значит, что при электролизе раствора SnCl₂ на катоде в основном будет происходить разряд ионов Pb 2+ (восстановление) и выделение металлического свинца:
Sn 2+ + 2 = Sn 0
На аноде происходит противоположный процесс – окисление свинца, так как его стандартный электродный потенциал намного меньше потенциалов окисления хлора и воды (соответственно 1,36 и 1,23 В):
Sn 0 — 2 = Sn 2+
Таким образом, при электролизе водного раствора SnCl₂ сводится к растворению свинца (металла анода) и выделению его на катоде.

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+

Рабочая тетрадь по химии (стр. 8 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Рис. 5.6. Схема установки для проведения электролиза

Пример 5.6. Рассмотрим электролиз раствора хлорида железа (II) с угольными электродами (рис. 5.7). Это пример электролиза с инертным (нерастворимым) анодом.

Рис.5.7. Схема электролиза раствора хлорида железа (II)

В растворе соль диссоциирует на ионы: FeCl2 → Fe 2+ + 2 Cl ¯.

На катоде происходит разряд ионов Fe 2+ и выделение металлического железа

Fe 2+ + 2 ē → Fe 0.

У анода разряжаются хлорид-ионы: 2 Cl ¯ ─ 2 ē → Cl 2.

В зависимости от условий электролиза в качестве побочного продукта на катоде может выделяться водород.

Электролиз раствора хлорида олова (II) с угольными электродами

В электролизёр (рис. 5.6) с раствором SnCl2 помещаются два угольных электрода, включается прибор и пропускается постоянный электрический ток, под действием которого происходят процессы восстановления на катоде, подключённому к отрицательному полюсу и окисления на аноде, подключённому к положительному полюсу. По окончании электролиза на катоде видны большие кристаллы выделившегося металлического олова.

В растворе дихлорид олова диссоциирует на ионы олова и хлорид-ионы. Положительно заряженные ионы олова перемещаются к отрицательно заряженному катоду и на нём разряжаются, т. е. восстанавливаются до металлического олова. Следовательно, на катоде выделяется металл. Олово относится к не очень активным металлам, а поэтому может быть получено в свободном состоянии при электролизе водного раствора своей соли. При определённом режиме электролиза одновременно с оловом может выделяться водород вследствие разряда молекул воды.

К положительно заряженному аноду перемещаются хлорид-ионы, происходит их окисление до молекулярного хлора. Угольный анод относится к инертным анодам и не окисляется (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Схема электролиза SnCl2 с инертным анодом

При электролизе водного раствора хлорида олова (II) с инертным анодом:

· на катоде выделяется металлическое олово,

· на аноде выделяется газообразный хлор

Электролиз раствора йодида калия с угольными электродами

В раствор йодида калия, налитый в электролизёр, добавляется по несколько капель фенолфталеина и крахмала. В электролит помещаются угольные электроды, которые подключаются к источнику постоянного тока и проводится электролиз.

На катоде наблюдается выделение газа и через некоторое время в прикатодном пространстве появляется розовое окрашивание фенолфталеина, что свидетельствует о щелочной реакции среды. В то же время синяя окраска крахмала в прианодном пространстве указывает на выделение свободного йода.

К катоду перемещаются катионы калия, имеющие потенциал разряда значительно более отрицательный, чем потенциал разряда воды, поэтому на катоде происходит разряд воды. Наряду с выделением водорода происходит накопление в прикатодном пространстве гидроксильных ионов, окрашивающих фенолфталеин в розовый цвет.

На инертном (угольном) аноде разряжаются йодид-анионы, выделяется свободный йод, которому соответствует качественная реакция с крахмалом, сопровождающаяся синим окрашиванием (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Схема электролиза KJ с инертным анодом

Электролиз водного раствора йодида калия с инертным анодом сопровождается:

· на катоде выделением водорода и подщелачиванием раствора;

· на аноде выделением йода.

Электролиз раствора сульфата меди с медным анодом

В раствор сульфата меди помещаются медный анод, угольный катод и проводится электролиз. Через несколько минут ток отключается и при осмотре угольного катода отмечается выделение на нём меди.

Составьте схему процесса электролиза сульфата меди с медным анодом: покажите направление движения ионов к электродам, составьте уравнения катодного и анодного процесса.

Какие изменения будут происходить с электродами в результате электролиза?

Во второй части опыта проводится переполюсовка электродов, т. е. угольный электрод с осаждённой на нём медью делается анодом и имеется, по-сути, медный анод. Катод будет также медным.

Составьте схему второй части процесса электролиза: покажите направление движения ионов к электродам, укажите, из какого материала состоят электроды, составьте уравнения катодного и анодного процесса.

Через несколько минут проведения электролиза медь на аноде растворяется и на угольном электроде (аноде) начинает выделяться газ (третья часть опыта).

Составьте схему третьей части процесса электролиза: покажите направление движения ионов к электродам, укажите, из какого материала состоят электроды, составьте уравнения катодного и анодного процесса.

Оказывает ли материал катода на суть катодного процесса? ______________________

Какой процесс идёт на растворимом аноде? ___________________________________

Как влияет природа аниона на процесс на аноде? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Пример 5.7. При электролизе раствора, содержащего нитраты серебра, меди (II), свинца и натрия в стандартных условиях последовательность выделения веществ на катоде следующая:

1) Ag, Pb, Cu, Na 2) Ag, Pb, Cu, H2, Na 3) Ag, Pb, Cu, H2 4) Ag, Cu, Pb, H2

Решение. Относительное положение металлов в ряду активности следующее:

Последовательность их разряда обратная, причём щелочной металл натрий из водных растворов не восстанавливается и вместо него выделяется водород (табл. 5.3)..

Правильный ответ 4.

Упражнение 5.5. При электролизе раствора, содержащего нитраты меди (II), серебра, никеля и кальция в стандартных условиях, последовательность выделения веществ на катоде имеет вид …

1) Ag, Ni, Cu, Сa 2) Ag, Cu, Ni, H2, Сa 3) Ag, Cu, Ni, H2 4) Ag, Ni, Cu, H2

Упражнение 5.6. Продуктами, выделяющимися на инертных электродах при электролизе водного раствора серной кислоты, являются …

1) Н2 и SO2 2) O2 и SO2 3) H2 и S 4) H2 и O2

Для решения воспользуйтесь табл. 5.3 и табл. 5.4.

ТИПОВЫЕ КОНТРОЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

1. Продуктами, выделяющимися на инертных электродах при электролизе водного раствора хлорида калия, являются …

1) K и Cl2 2) H2 и Сl2 3) H2 и O2 4) K и O2

2. Продуктами, выделяющимися на инертных электродах при электролизе водного раствора сульфата натрия, являются …

1) Na и SO2 2) H2 и S 3) H2 и O2 4) Na и O2

3. Металлом, который нельзя получить электролизом раствора его соли, является …

1) Al 2) Cr 3) Pb 4) Ag

4. Уравнение процесса протекающего на инертном катоде при электролизе водного раствора гидроксида натрия, имеет вид …

1) 2H+ + 2e → H2 2) 2H2O – 4e → O2 + 4H+

2) 2H2O + 2e → H2 + 2OH ˉ 4) Na+ + e → Na

5. Уравнение процесса, протекающего на инертном аноде при электролизе водного раствора CaCl2, имеет вид.. 1) 2H2O – 4e → O2 + 4H+ 2) 4OH ˉ − 4e → O2 + 2H2O

3) Сa2+ + 2e → Сa0 4) 2Cl ˉ − 2e →Cl2

5.3. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЯ

Изучить и усвоить:

· лекцию «Коррозия металлов» [Часть 2 УМК, раздел 5.4].

· видеозапись лабораторной работы «Коррозия и защита металлов» [Приложение к УМК: диск 4].

Цель выполнения задания

· Усвоить суть химической и электрохимической коррозии металлов.

· Изучить факторы, влияющие на скорость коррозии.

·Ознакомиться с некоторыми методами защиты металлов от коррозии.

Коррозией металлов называется процесс их самопроизвольного разрушения под воздействием окружающей среды. Коррозия представляет собой окислительно-восстановительный процесс, протекающий на границе раздела металл – среда. Металл всегда окисляется, а компоненты окружающей среды (О2, СО2, SO2, Cl2, H+, H2O и др.) восстанавливаются. В результате коррозии образуются продукты окисления металла – оксиды, гидроксиды, соли. Такое превращение металла сопровождается существенным изменением его механических свойств.

По механизму процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия происходит под воздействием агрессивных газообразных компонентов окружающей среды при высоких температурах (газовая коррозия) или под воздействием некоторых агрессивных жидкостей – неэлектролитов. Основным признаком химической коррозии является то, что она происходит без возникновения в системе электрического тока, когда реакции окисления и восстановления протекают в одной точке поверхности.

Электрохимическая коррозия протекает в электролитах и сопровождается возникновением коррозионного тока между анодными и катодными участками поверхности металла. Функцию анода выполняет более активный металл, на нём идёт окисление, в результате чего металл разрушается и его ионы «уходят» в коррозионную среду:

Ме 0 − n ē → Ме n+. (5.6)

Освободившиеся в результате окисления электроны переходят на катод и восстанавливают окислитель из среды (рис. 5.10). Вид процесса зависит от природы окислителя и состава среды.

Рис. 5.10. Схема электрохимической коррозии

Уравнения наиболее часто встречающихся катодных процессов приведены в табл. 5.5

Уравнения катодных коррозионных процессов в различных средах