Электролиз Содержание : 1. Определение сущности процесса электролиза 2. Электролиз в расплавах: а) процессы на катоде б) процессы на аноде в) примеры электролиза в расплавах электролитов 3. Электролиз в растворах: в) примеры электролиза в растворах электролитов 4. Области использования электролиза: а) получение чистых металлов б) очистка металлов в) получение щелочей, галогенов, водорода г) гальваностегия в) гальванопластика г) косметология 5. Тест по теме «Электролиз» 6. Домашнее задание 7.Список использованной литературы и Интернет-ресурсов Электролиз – это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах в растворах или расплавах электролитов при пропускании электрического тока. Сущность электролиза заключается в том, что за счет электрической энергии осуществляется химическая реакция, которая не может протекать самопроизвольно. Электролиты-вещества, растворы и расплавы которых проводят электрический ток. К сильным электролитам относятся: 1) щёлочи (KOH, NaOH, Ba(OH)2 и тд.) 2) сильные кислоты (HI, HBr, HClO4, HCl, H2SO4, HMnO4, HNO3, H2CrO4) 3) растворимые соли (NaCl, KNO3, BaCl2 и тд.) Электролиз в расплавах 1. На катоде происходит процесс восстановления • В расплавах катионы металла восстанавливаются до свободного металла: Мn+ + nē = М0 Электролиз в расплавах 2. На аноде происходит процесс окисления 2Cl– – 2ē = Cl20 2CN– – 2ē = (CN)20↑ дициан • Кислородсодержащие анионы выделяют кислород и превращаются в один из оксидов: SO42– – 2ē = SO20 + O20. 2NO3--2e = 2NO2+ O2 4OH- - 4ē = 2H2O + O2 Электролиз расплава NaCl К(-) NaCl А(+) ↓ ← Na+ + Cl- → Na+ + 1ē = Na0 2Cl- - 2ē = Cl2 электролиз 2NaCl 2Na + Cl2 Электролиз расплава CuCl2 К(-) CuCl2 А(+) ↓ ← Cu2+ + 2Cl- → Cu2+ + 2ē = Cu 0 2Cl- - 2ē = Cl2 CuCl2 Cu + Cl2
электролиз
Электролиз расплава NaOH К(-) NaOH А(+) ↓ ← Na+ + OH- → Na+ + 1ē = Na0 4OH- - 4ē = 2 H2O + O2↑ электролиз 4NaOH 4Na + O2↑ +2H2O Электролиз в растворах 1. Процессы на катоде - В растворах процесс на катоде не зависит от материала катода, а зависит от активности восстанавливаемого металла.
а) Если металл расположен в ряду напряжений от Li до Al включительно, то на катоде идет процесс восстановления воды: 2Н2О + 2ē = H20 + 2OH– Электролиз в растворах (процесс на катоде) б) Если металл расположен в ряду напряжений между Al и H2 , то на катоде идут одновременно процессы восстановления воды и катионов металла: 2Н2О + 2ē = H20 + 2OH– Мn+ + nē = М0 в) Если металл расположен в ряду напряжений после Н2, то на катоде идет процесс восстановления катионов металла: Мn+ + nē = М0 При электролизе растворов кислот идет процесс восстановления ионов водорода: 2Н+ + 2ē = H20 2. Процессы на аноде В растворах процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аниона. Аноды могут быть двух видов – растворимые (железо, медь, цинк, серебро и все металлы, которые окисляются в процессе электролиза) и нерастворимые, или инертные (уголь, графит, платина, золото) а) Если анод растворимый, то независимо от природы аниона всегда идет окисление металла анода, например: Me0 –ne = Men+ Cu0 – 2ē = Cu2+ Процесс на аноде б) Если анод инертный, то в случае бескислородных анионов (кроме фторидов) идет окисление анионов: 2Cl– – 2ē = Cl20↑ 2CN– – 2ē = (CN)20↑ дициан Процесс на аноде в) В случае кислородсодержащих анионов и фторидов идет процесс окисления воды, анион при этом не окисляется и остается в растворе: 2H2O – 4ē = O20 + 4H+ При электролизе растворов щелочей идет окисление гидроксид-ионов: 4OH– – 4ē = O20 + 2H2O Электролиз раствора NaCl на инертном аноде К(-) NaCl А(+) ↓ ← Na+ + Cl- → 2Н2О + 2ē = H2 + 2OH- 2Cl- - 2ē = Cl2↑ электролиз 2NaCl + 2H2O H2 + Cl2 +2NaOH Электролиз раствора CuSO4 на инертном аноде К(-) CuSO4 А(+) ↓ ← Cu2+ + SO42- → Cu2+ + 2ē = Cu0 2H2O – 4ē = O2↑ + 4H+ электролиз 2CuSO4 + 2 H2O 2Cu + O2 + 2 H2SO4 Электролиз раствора NaCl на медном аноде К(-) NaCl А(+) ↓ (Cu) ← Na+ + Cl- → Cu2+ + 2ē = Cu0 Cu0 – 2ē =Cu2+ (т.к. Cu2+ в ряду напряжений стоят после H+) Происходит переход ионов меди с анода на катод. Концентрация NaCl в растворе не меняется. Количественные законы электролиза. Выход по току. Законы Фарадея. - Законы электролиза были установлены выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 30-х г. XIX В.
Английский физик и химик, основоположник количественной электрохимии. (1791-1867 г) Закон Фарадея: - Количественная зависимость массы вещества получаемого при электролизе от силы тока и времени выражается законом Фарадея:
m =; == ; = - m – масса вещества, выделяющегося при электролизе, г;
- -молярная масса этого вещества,г/моль;
- F-число Фарадея, 96500 Кл/моль (1Кл=1А∙1с);
- - количество е (моль), участвующих в образовании 1 моль данного вещества;
- I-сила тока, А;
- t-время, с.
ЗАДАЧА 1 - Сколько времени необходимо проводить электролиз раствора хлорида золота (III) с силой тока 1,5 А, чтобы получить на катоде золотое покрытие массой 0,15 г?
- Ответ: 147 с.
- Решение:
- ===147 с
Задача 2: - При прохождении через раствор соли трехвалентного металла тока силой 1,5А в течение 30 мин на катоде выделилось 1,071г металла. Вычислите молярную массу металла и назовите его.
- М===114,8г/моль
Задача 3: Задача 4: - Ток силой 6 А пропускали через водный раствор серной кислоты в течении 1,5 ч. Вычислить массу разложившейся воды и объём выделившегося кислорода и водорода (н.у.).
m(H2O)===3,02г V= VН2= Электролиз в растворах Электродный потенциал- Выход по току-это выраженное в процентах отношение количества фактически затраченного электричества (Qфакт) к теоретически необходимому(Qтеор): Выход по току. - При электролизе во многих случаях выделяется меньше вещества, чем должно получиться по законам Фарадея. Этo oбъяcняeтcя тeм, чтo, нaряду c ocнoвными элeктрoдными прoцeccaми oкиcлeния и вoccтaнoвлeния, практически всегда протекают побочные реакции. К их числу можно отнести взаимодействие образовавшихся при электролизе веществ с элeктрoлитoм, выдeлeниe, нaряду c мeтaллoм, нa кaтoдe вoдoрoдa и другие. Кроме того, часть электрической энергии тратится на преодоление сопротивления электролита. Поэтому для экономической оценки процесса электролиза вводят такие понятия, как выход по току и расход энергии на получение единицы продукции энергии.
Выход по току. - Выход по току рассчитывается как степень отклонения массы фактически прореагировавшего на электроде вещества mфакт от теоретически рассчитанной по закону Фарадея mтеор:
- Bт = (mфакт/ mтеор)·100 %.
Задача 1 - При электролизе в течении 1 часа водного раствора нитрата висмута (Bi(NO3)3) на катоде выделилось 14 грамм висмута (Bi). Выход по току составляет 94 %. Вычислите силу тока.
- Bi(NO3)3 = Bi+3 + 3NO3- K(-) Bi+3 + 3e = Bi0 A(+) 2H2O – 4e = O2 + 4H+ 4Bi(NO3)3 + 6H2O -> 4Bi + 3O2 + 12HNO3
- w(x) = m(x)/m, m(Bi) = 14/0,94 = 14,9 g m*n*F = M*I*dt n = 3, dt = 3600, F = 96485,338 I = m*n*F / M*dt = 14,9*3*96485,338 / 209*3600 = 5,8 A
Немного теории: - При прохождении электрического тока через электролизер в соответствии с законами Фарадея количество вещества, которое разряжается на электроде (если происходит только один процесс), прямо пропорционально количеству электричества, которое прошло через раствор. При прохождении количества электричества F, равного числу, Фарадея (96 487 Кл, или иначе 26,8 А • ч), происходит разряд одного грамм-эквивалента любого вещества. Выход по току.
- Ответ: сила тока равна 5,8 Ампер
Применение электролиза: - получение чистых металлов (Алюминий, магний, натрий, кадмий получают только электролизом)
очистка металлов получение щелочей, хлора, водорода защита металлов от коррозии (При этом на поверхности металлических изделий электрохимическим методом наносят тонкий слой другого металла, устойчивого к коррозии). Этот раздел гальванотехники называется ГАЛЬВАНОСТЕГИЯ (от гальвано... и греч. stego - покрываю) копирование рельефных изделий из металлов и других материалов. Гальванопластика позволяет создавать документально точные копии барельефов, монет, гербов, медалей, эмблем и т.д. Широко применяется при реставрации. применение электролиза в косметологии для электроэпиляции (при удалении волос этим методом используются очень тонкие иголочки, которыми воздействуют на волосяной фолликул) Тест по теме "Электролиз" 1. При электролизе раствора сульфата цинка с инертными электродами на аноде выделяется: а) цинк; б) кислород; в) водород; г) сера. 2. При электролизе раствора хлорида натрия образуются: а) натрий и хлор; б) гидроксид натрия, хлор и водород; в) кислород и хлор; г) натрий, хлор и соляная кислота. 3. При электролизе расплава гидроксида натрия на аноде выделяется: а) натрий; б) водород; в) кислород; г) вода 4. Платиновый электрод: а) инертный; б) растворимый; в) расходуется в процессе электролиза; г) не расходуется в процессе электролиза. 5. Процесс на катоде при электролизе растворов солей зависит от: а) природы катода; б) активности металла; в) состава аниона; г) не зависит от перечисленных факторов. 6. При электролизе раствора нитрата меди(II) с медными электродами на аноде будет происходить: а) выделение диоксида азота; б) выделение монооксида азота; в) растворение анода; г) выделение кислорода. 7. При электролизе 240 г 15%-го раствора гидроксида натрия на аноде выделилось 89,6 л (н.у.) кислорода. Массовая доля вещества в растворе после окончания электролиза равна (в %): а) 28,1; б) 32,1; в) 37,5; г) 40,5. 8. Медный купорос массой 100 г растворили в воде и провели электролиз до обесцвечивания раствора. Объем (в л, н.у.) собранного газа равен: а) 2,24; б) 4,48; в) 11,2; г) 22,4. А теперь проверим ваши ответы! 1-б 2-б 3-в, г 4-а, г 5-б 6- в 7- в 8-б Домашнее задание: Х. 15.26, 15.29,15.31,15.35 Список использованной литературы: 1. О.С.Габриелян Учебник химии для 11 класса, М., Дрофа, 2004г. Интернет – ресурсы: 1. http://www.nontoxicprint.com/electroetching.htm 2. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/3192/ХИМИЧЕСКИЕ 3. http://atecom.ru/ru/hydrogen/ 4. http://festival.1september.ru/articles/564677/ 5. http://www.nickelca.ru/professions/metallurgy/ 6. http://t-coins.narod.ru/Hidro.htm 7. http://medicini.info/raznoe/165-udalenie-volos-metodom-elektroliza.html 8. http://www.bayertechnology.com/ru/produkty/khlor-ehlektroliz.html 9. http://www.interfax.by/article/4066 Спасибо за внимание! |
Скачать 3.18 Mb.