Электролиз расплавов и растворов
Электролиз расплавов
Электролиз — окислительно-восстановительная реакция, которую заставляет идти внешний источник тока. На катоде (−) идёт восстановление, на аноде (+) — окисление.
В расплаве других частиц нет: \(\ce{2NaCl ->[эл. ток] 2Na + Cl2 ^}\).
history_eduДэви и столб Вольты
В 1807 году Гемфри Дэви пропустил ток от огромной батареи через слегка влажный расплав едкого кали — и на катоде появились блестящие шарики, которые вспыхивали на воздухе. Так были открыты калий, затем натрий, а в следующем году — кальций, барий, стронций и магний.
auto_awesomeХолл и Эру
Электролитический способ получения алюминия открыли независимо в 1886 году американец Чарльз Холл и француз Поль Эру. Оба родились в 1863 году и умерли в 1914-м. Идея — растворить \(\ce{Al2O3}\) (т. пл. 2050 °C) в расплавленном криолите \(\ce{Na3AlF6}\) при 950 °C. Цена алюминия за несколько лет упала в десятки раз.
scienceПромышленный электролиз расплавов
- \(\ce{2Al2O3 ->[эл. ток][Na3AlF6] 4Al + 3O2}\); на угольном аноде кислород сжигает его: \(\ce{C + O2 -> CO2}\) — аноды приходится постоянно заменять.
- \(\ce{2NaCl ->[эл. ток] 2Na + Cl2}\) — в ванне Даунса; добавка \(\ce{CaCl2}\) снижает температуру плавления.
- \(\ce{4NaOH ->[эл. ток] 4Na + O2 ^ + 2H2O}\) — способ Кастнера (1891).
- \(\ce{MgCl2 ->[эл. ток] Mg + Cl2 ^}\) — магний из карналлита и морской воды.
Электролиз водных растворов
В растворе с ионами соли конкурирует вода.
Катод.
- \(\ce{Li+}\) … \(\ce{Al^3+}\) (активные): восстанавливается вода \(\ce{2H2O + 2e- -> H2 ^ + 2OH-}\);
- \(\ce{Mn^2+}\) … \(\ce{Pb^2+}\) (средние): металл и водород одновременно (из-за перенапряжения водорода часто преобладает металл — так получают цинк);
- \(\ce{Cu^2+}\), \(\ce{Ag+}\), \(\ce{Hg^2+}\), \(\ce{Au^3+}\): только металл.
Анод (инертный — графит, платина).
- \(\ce{I-}\), \(\ce{Br-}\), \(\ce{Cl-}\), \(\ce{S^2-}\): окисляются до простых веществ (хлор выделяется вместо кислорода из-за перенапряжения кислорода);
- \(\ce{SO4^2-}\), \(\ce{NO3-}\), \(\ce{PO4^3-}\), \(\ce{F-}\): не окисляются, окисляется вода \(\ce{2H2O - 4e- -> O2 ^ + 4H+}\).
Растворимый анод (медь, никель, серебро) сам окисляется: \(\ce{Cu - 2e- -> Cu^2+}\).
scienceЭлектролиз растворов
- \(\ce{2NaCl + 2H2O ->[эл. ток] 2NaOH + H2 ^ + Cl2 ^}\) — хлорщелочное производство.
- \(\ce{2CuSO4 + 2H2O ->[эл. ток] 2Cu + O2 ^ + 2H2SO4}\).
- \(\ce{4AgNO3 + 2H2O ->[эл. ток] 4Ag + O2 ^ + 4HNO3}\).
- \(\ce{2H2O ->[эл. ток][Na2SO4] 2H2 ^ + O2 ^}\) — сульфат натрия лишь проводит ток.
- Рафинирование меди: анод — черновая медь растворяется, на катоде осаждается чистая; золото и серебро оседают в анодный шлам.
Законы Фарадея
Майкл Фарадей в 1833–1834 годах установил: масса вещества, выделившегося при электролизе, пропорциональна прошедшему заряду, а для разных веществ — их эквивалентам. Сегодня это одна формула:
\(F\) — заряд одного моля электронов. Чтобы выделить 1 моль серебра, нужен 1 фарадей, меди — 2, алюминия — 3.
boltСчитайте моли электронов
\(n_e = It/F\). Дальше — стехиометрия полуреакций: на 4 моль электронов — 1 моль \(\ce{O2}\) и 2 моль \(\ce{H2}\), на 2 — 1 моль \(\ce{Cu}\) или \(\ce{Cl2}\). Так проще, чем помнить формулы для каждого случая.
history_eduСлова Фарадея
Фарадей вместе с филологом Уильямом Уэвеллом придумал слова, которыми мы пользуемся до сих пор: электролиз, электрод, анод, катод, ион, анион, катион, электролит. «Анод» — по-гречески «путь вверх», «катод» — «путь вниз».
auto_awesomeКулонометр
Законы Фарадея позволяют измерять заряд по массе металла: серебряный кулонометр до 1948 года служил эталоном ампера — ток в 1 А за секунду осаждал 1,118 мг серебра.
push_pinГлавное
Электролиз расплава: катион восстанавливается до металла, анион окисляется (\(\ce{2NaCl -> 2Na + Cl2}\)). В растворе на катоде: металлы до \(\ce{Al}\) включительно не выделяются — идёт \(\ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}\); малоактивные (\(\ce{Cu}\), \(\ce{Ag}\)) — выделяются; средние (\(\ce{Zn}\), \(\ce{Fe}\), \(\ce{Ni}\)) — металл и водород. На инертном аноде: \(\ce{I-}\), \(\ce{Br-}\), \(\ce{Cl-}\) → галоген; кислородсодержащие анионы и \(\ce{F-}\) не окисляются — выделяется \(\ce{O2}\). Растворимый анод (медь) сам растворяется. Законы Фарадея: \(m = \dfrac{MIt}{nF}\), \(F = 96\,485\) Кл/моль.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.