Электролиз – это окислительно-восстановительная реакция, которая протекает под действием электрического тока на электродах, погруженных в раствор или расплав электролита.
Существует два типа электродов.
Анод – это электрод, на котором происходит окисление.
Катод – это электрод, на котором происходит восстановление. К аноду стремятся анионы, так как он имеет положительный заряд. К катоду стремятся катионы, потому что он заряжен отрицательно и, согласно законам физики, разноименные заряды притягиваются. В любом электрохимическом процессе присутствуют оба электрода. Прибор, в котором осуществляется электролиз, называется электролизер. Рис. 1.
Количественные характеристики электролиза * выражаются двумя законами Фарадея:
1) Масса вещества, выделяющегося на электроде *, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит *.
2) При электролизе различных химических соединений одинаковые количества электричества выделяют на электродах массы веществ, пропорциональные их электрохимическим эквивалентам.
Эти два закона можно объединить в одном уравнении:
,
где m – масса выделяющегося вещества, г;
n – количество электронов, переносимых в электродном процессе;
F – число Фарадея (F=96485 Кл/моль)
I – сила тока, А;
t – время, с;
M – молярная масса выделяющегося вещества, г/моль.
При электролизе водных растворов электродные процессы осложняются за счет конкуренции ионов (в электролизе могут участвовать и молекулы воды). Восстановление на катоде обусловлено положением металла в ряду стандартных электродных потенциалов.
Катионы металлов, у которых стандартный электродный потенциал больше, чем у водорода (от Cu2+ до Au3+), при электролизе практически полностью восстанавливается на катоде. Me n+ + nē →Me Катионы металлов с малой величиной стандартного электродного потенциала (Li2+ до Al3+ включительно) не восстанавливаются на катоде, а вместо них восстанавливаются молекулы воды. 2H2O + 2ē → H2↑ + 2OH- Катионы металлов, имеющих стандартный электродный потенциал меньше, чем у водорода, но больше чем у алюминия (от Mn2+ до Н), при электролизе на катоде восстанавливается одновременно с молекулами воды. Me n+ + nē →Me 2H2O + 2ē → H2↑ + 2OH- При наличии в растворе нескольких катионов, на катоде в первую очередь восстанавливаются катионы наименее активного металла.
Пример сульфат натрия( Na2SO4)
Na2SO4↔ 2Na++ SO42-
катод: 2H2O + 2e → H2 + 2OH-
анод: 2H2O - 4e → O2 + 4H+
4OH-- 4H+→ 4H2O
2H2O→2H2 + O2
Электролизом расплавов получают многие реакционно-способные металлы. При диссоциации расплава сульфата натрия образуются ионы натрия и сульфат-ионы.
Na2SO4 → 2Na+ + SО42−
– на катоде выделяется натрий:
Na+ + 1 e− → Na
– на аноде выделяется кислород и оксид серы (VI):
2SО42− − 4 e− → 2SО3 +О2
– суммарное ионное уравнение реакции (уравнение катодного процесса помножили на 4)
4 Na+ + 2SО42− → 4 Na 0 + 2SО3 +О2
– суммарная реакция:
4 Na2SO44 Na 0 + 2SО3 +О2
