Уравнение электролиза водного раствора хлорида никеля

Составить уравнения процессов, протекающих при электролизе расплавов и растворов солей

Задача 686.
Составить уравнения процессов, протекающих при электролизе расплавов NaOH и NiCl₂ с инертными электродами.
Решение:
а) Электролиз расплава едкого натра

В расплаве едкого натра содержатся ионы Na+ и OH-:

Ионы натрия восстанавливаются на катоде: NaOH ⇔ Na + + OH — .

На аноде ионы ОН — окисляются с образованием воды и кислорода:

2ОН — — 2 ⇔Н₂О + О.

Два атома кислорода, соединяясь друг с другом, образуют молекулу:

Таким образом, процесс окисления ионов ОН — можно выразить уравнением:

4ОН — — 4 ⇔ 2Н₂О + О₂

Умножив уравнение катодного процесса на четыре, и сложив его с анодным процессом, получим:

4Na + + 4OH — ⇔ 4Na + H₂O + O₂↑
у катода у анода

Процесс в целом можно выразить уравнением:

Таким образом, при электролизе расплава едкого натра у катода выделяется металлический натрий, а у анода – газообразный кислород и вода.

б) Электролиз расплава соли NiCl₂ находятся ионы Ni 2+ и Cl — : NiCl₂ ⇔ Ni 2+ + 2Cl — .

В расплаве соли NiCl₂ находятся ионы Ni 2+ и Cl — :

Образующиеся ионы никеля восстанавливаются на катоде с образованием металлического никеля:

Ni 2+ + 2 = Ni 0

На аноде будет происходить электролитическое окисление ионов хлора с образованием свободных атомов хлора, которые соединяясь друг с другом, образуют молекулу хлора:

2Cl — — 2 = 2Cl*
Cl* + Cl* = Cl₂

Сложив уравнения катодного и анодного процессов, получим суммарное уравнение процесса:

Ni 2+ + 2Cl — = Ni + Cl₂↑
у катода у анода

Таким образом, при электролизе расплава соли хлорида никеля (II) на катоде выделяется металлический никель, а на аноде – газообразный хлор.

Задача 687.
Составить схемы электролиза водных растворов Н₂SO₄, CuCl₂, Pb(NO₃)₂ с платиновыми электродами.
Решение:
а) Электролиз водного раствора Н₂SO₄

Стандартный потенциал системы: 2Н + + 2 = Н₂ равен 0,000 В, что значительно выше, чем в нейтральной среде. Поэтому на катоде будет происходить восстановление воды, сопровождающееся выделением газообразного водорода:

2Н₂О + 2 = Н₂↑ + 2ОН — ,

Поскольку, отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (1,23В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (2,01 В), характеризующий систему:

2SO₄ 2- — 2 = S₂O₈ 2- .

Ионы SO₄ 2- , движущиеся при электролизе к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве. Умножая уравнение катодного процесса на два и складывая его с уравнением анодного процесса, получаем суммарное уравнение реакции электролиза серной кислоты:

Таким образом, одновременно с выделением водорода у катода и кислорода у анода образуется вода (катодное пространство) и серная кислота (анодное пространство). После приведения членов в обеих частях равенства получим:

2H₂O — 4 = 2H₂↑ + O₂↑ + 4H +
у катода у анода

Вывод:
При электролизе раствора серной кислоты происходит разложение воды на катоде и аноде, в результате чего происходит выделение водорода (в катодном пространстве) и кислорода (в анодном пространстве), а серная кислота остаётся без изменения.

б) Электролиз водного раствора CuCl₂

Медь располагается в ряду активности после водорода, поэтому на катоде восстанавливается металл:

Катод (–): Cu 2+ + 2ē = Cu 0

На аноде будет происходить электрохимическое окисление ионов Cl-, приводящее к выделению хлора:

Анод (+): 2Cl – — 2ē = 2Cl – → Cl₂↑.

поскольку отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+1,36 В) значительно выше, чем стандартный потенциал (+1,23 В), характеризующий систему

Вывод:
Таким образом, при электролизе водного раствора хлорида меди на катоде выделяется медь, на аноде – хлор.

в) Электролиз водного раствора Рb(NO₃)₂

Рb(NO₃)₂ – соль средней активности металла и кислородсодержащей кислоты. Стандартный электродный потенциал электрохимической системы:

Pb 2+ + 2 = Pb 0 (-0,13 В) положительнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41 В) незначительно. Поэтому на катоде будет выделяться свинец (2H + /H₂) > 0 (Pb 2+ /Pb)):

Pb 2+ + 2 = Pb 0

На аноде будет происходить электрохимическое окисление воды, приводящее к выделению кислорода:

Ионы NO₃ — , движущиеся при гидролизе к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве. Умножим уравнение катодного процесса на два и сложим его с уравнением анодного процесса, получим суммарное уравнение:

2Pb 2+ + 2H₂O = 2Pb + O₂↑ + 4H +
у катода у анода

Приняв во внимание, что одновременно происходит накопление ионов NO₃ — в анодном пространстве, суммарное уравнение процесса можно записать в следующей форме:

Вывод:
При электролизе водного раствора нитрата свинца на катоде выделяется свинец, на аноде – газообразный кислородрд, в растворе образуется азотная кислота (анодное пространство).

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+

Рассмотрим несколько примеров процессов электролиза

Пример 1. Электролиз раствора хлорида никеля (II) NiCl₂ с инертными электродами.

Раствор содержит ионы Ni 2+ и Cl – , образующиеся в результате процесса диссоциации соли:

Кроме того, в растворе в ничтожной концентрации содержатся ионы Н + и ОН ­ – , образующиеся при диссоциации молекул воды:

При пропускании тока катионы Ni 2+ и H + перемещаются к катоду (отрицательно заряженному электроду). На катоде протекает процесс восстановления. Принимая от катода по два электрона, ионы Ni 2+ превращаются в нейтральные атомы, выделяющиеся из раствора. Катод постепенно покрывается никелем:

Одновременно анионы Cl ­ – и OH – движутся к аноду (положительно заряженному электроду). На аноде протекает процесс окисления. Так как в первую очередь разряжаются анионы бескислородных кислот, то ионы хлора, достигая анода, отдают ему электроны и превращаются в атомы хлора. В дальнейшем эти атомы, соединяясь попарно, образуют молекулы хлора, покидающие поверхность электрода. У анода выделяется хлор:

2Cl ­ – 2e → .

Складывая уравнения процессов, протекающих на катоде и на аноде с учетом отданных и принятых электронов, получим краткое ионно-молекулярное уравнение процесса электролиза:

Ni + + 2Cl ­ Ni 0 + .

Молекулярное уравнение процесса электролиза водного раствора хлорида никеля (II) будет иметь вид:

NiCl₂ Ni 0 + .

Пример 2. Электролиз раствора йодида калия KI.

Йодид калия в результате процесса диссоциации находится в растворе в виде ионов К + и I – ­

Кроме того, в растворе в растворе содержатся ионы Н + и ОН – , образующиеся при диссоциации воды:

При пропускании электрического тока ионы К + и H + передвигаются к катоду, а ионы I ­ и OH ­ – к аноду. Так как калий стоит в ряду напряжений гораздо левее водорода и имеет меньшее значение электродного потенциала, то у катода разряжаются не ионы калия, а катионы водорода из воды. Образующиеся при этом атомы водорода соединяются в молекулы Н₂, и, таким образом, у катода выделяется водород:

По мере разряда ионов водорода диссоциируют все новые молекулы воды, вследствие чего у катода накапливаются гидроксильные ионы (освобождающиеся из молекулы воды), а также ионы К + , непрерывно перемещающиеся к катоду. В пространстве у катода образуется раствор КОН и среда становится щелочной.

Одновременно к положительно заряженному аноду перемещаются анионы иода и гидроксила. В первую очередь у анода происходит выделение йода, так как ионы I – разряжаются легче, чем гидроксильные ионы из воды:

Складывая уравнения процессов, протекающих на аноде и на катоде, получим краткое ионно-молекулярное уравнение процесса электролиза:

2H₂О + 2I ­ Н₂ + I₂ + 2ОН ­ .

Полное ионно-молекулярное уравнение процесса электролиза получим добавляя в левую и правую части краткого уравнения недостающие ионы (ионы калия К + ):

2H₂О+ 2K + + 2I – Н₂ + I₂ + 2K + + 2ОН.

Молекулярное уравнение процесса электролиза водного раствора иодида калия будет иметь вид:

2H₂О + 2KI Н₂ + I₂ + 2KОН.

Пример 3. Электролиз раствора сульфата калия K₂SO₄.

В водном растворе сульфата калия содержатся ионы K + , , образующиеся при диссоциации соли и ионы Н+ и ОН­ – из воды.

K₂SO₄ → K + +

Так как ионы K + разряжаются труднее, чем ионы Н + , а ионы , чем ионы ОН – , то при пропускании электрического тока у катода будут разряжаться ионы водорода из воды, у анода – гидроксильные группы из воды, то есть, фактически, будет происходить электролиз воды.

Суммарное уравнение процесса будет иметь вид:

2H₂О 2Н₂ + O₂.

В то же время, вследствие разряда водородных и гидроксильных ионов воды и непрерывного перемещения ионов K + к катоду, а ионов к аноду, у катода образуется раствор щелочи (КОН), а у анода – раствор серной кислоты.

Пример 4. Электролиз раствора сульфата меди с растворимым (активным) медным анодом.

Особым образом протекает электролиз с растворимыми электродами. В этом случае анод изготовлен из того же металла, соль которого находится в растворе. При этом никакие ионы из раствора у анода не разряжаются, а происходит окисление материала самого анода, т.е. сам анод постепенно растворяется, посылая в раствор ионы и отдавая электроны источнику тока.

Образующиеся на аноде катионы меди перемещаются в растворе соли к катоду. Процесс восстановления сводится к выделению меди на катоде:

Количество соли CuSO₄ в растворе остается неизменным.

Таким образом, при осуществлении процесса электролиза с растворимыми электродами имеет место перенос материала электрода (в нашем случае меди) с анода на катод.