Электролиз. Электролиз– окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании постоянного электрического тока через раствор или расплав. Электрохимическая обработка воды Ионная теория электролиза

1. Что наблюдалось в опыте Эрстеда?
а) Взаимодействие двух параллельных проводников с током.
б) Взаимодействие двух магнитных стрелок.
в) Поворот магнитной стрелки вблизи проводника при пропускании через него тока.
г) Возникновение электрического тока в катушке при помещении в нее магнита.

2. Как взаимодействуют между собой два параллельных проводника, если по ним протекают токи в одном направлении?
а) Притягиваются. б) Отталкиваются. в) Сила взаимодействия равна нулю. г) Правильный ответ не приведен.

3. При пропускании постоянного электрического тока через проводник вокруг него возникает магнитное поле. Оно обнаруживается по расположению стальных опилок на листе бумаги или повороту магнитной стрелки, находящихся вблизи проводника.Каким образом это магнитное поле можно переместить в пространстве?
а) Переносом стальных опилок. б) Переносом магнита. в) Переносом проводника с током. г) Магнитное поле переместить невозможно.

4. Как расположатся магнитные стрелки, помещенные в точки А и В внутри катушки при размыкании ключа К?
а) Одинаково- северным полюсом вправо по рисунку.
б) Одинаково- северным полюсом влево по рисунку.
в) Стрелки северными полюсами обращены друг к другу.
г) Стрелки южными полюсами обращены друг к другу.

5. Почему устройство двигателей переменного тока проще, чем постоянного? Почему на транспорте используют моторы постоянного тока?

6. Определить полюса электромагнита.

7. Изобразить магнитное поле токов и определить направление силовых линий магнитного поля.

8. Определить направление силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле.

9. У вас имеются три предмета – « прибора »: деревянный брусок, два стальных гвоздя, не притягивающихся друг к другу, и постоянный магнит.
В трех « черных ящиках » находятся соответственно: магнит, два гвоздя и деревянный брусок. Какими приборами и в какой последовательности лучше воспользоваться, чтобы выяснить, что лежит в каждом из ящиков?

10. Электродвигатель постоянного тока потребляет от источника с напряжением 24 В ток силой 2 А. Какова механическая мощность мотора, если сопротивление его обмотки равно 3 Ом? Каков его К.П.Д.?

Определите направление тока в проводнике, сечение которого и магнитное поле показаны на рисунке 1.

3. Какое направление имеет ток в проводнике, направление силовых линий магнитного поля которого указано стрелками (рис. 3)?

5. По направлению магнитных силовых линий, изображенных на рисунке 5, определите направление кругового тока в кольце.

Электромагнитные волны возникают: А. При движении электрических зарядов с постоянной скоростью. Б. При ускоренном движении электрических

В. Вокруг неподвижных зарядов.

Г. Вокруг неподвижного проводника, по которому проходит постоянный электрический ток.

Д. Вокруг неподвижной заряженной металлической пластины

1. Электрическим током называется... A). движение электронов. Б). упорядоченное движение заряженных частиц. B). упорядоченное движение электронов. 2.

Чтобы создать электрический ток в проводнике, надо... A). создать в нем электрическое поле. Б). создать в нем электрические заряды. B). разделить в нем электрические заряды. 3. Какие частицы создают электрический ток в металлах? A). Свободные электроны. Б). Положительные ионы. B). Отрицательные ионы. ^ 4. Какое действие тока используется в гальванометрах? А. Тепловое. Б. Химическое. В. Магнитное. 5. Сила тока в цепи электрической плитки равна 1,4 А. Какой электрический заряд проходит через поперечное сечение ее спирали за 20 мин? A). 3200 Кл. Б). 1680 Кл. B). 500 Кл. ^ 6. На какой схеме (рис. 1) амперметр включен в цепь правильно? А). 1. Б). 2. В). 3. 7. При прохождении по проводнику электрического заряда, равного 6 Кл, совершается работа 660 Дж. Чему равно напряжение на концах этого проводника? А). 110 В. Б). 220 В. В). 330В. ^ 8. На какой схеме (рис. 2) вольтметр включен в цепь правильно? А). 1. Б). 2. 9. Два мотка медной проволоки одинакового сечения имеют соответственно длину 50 и 150 м. Какой из них обладает большим сопротивлением и во сколько раз? А). Первый в 3 раза. Б). Второй в 3 раза. ^ 10. Какова сила тока, проходящего по никелиновой проволоке длиной 25 см и сечением 0,1 мм2, если напряжение на ее концах равно 6 В? А). 2 А. Б). 10 А. В). 6 А

1. В каких единицах измеряется сила электрического тока? А. Ом; Б. Дж; В. Вт; Г. А.

2. Какие действия всегда проявляются при прохождении электрического тока через любые среды?

А . Тепловые; Б. Магнитные; В . Химические; Г. Световые.

4. Определите под каким напряжением находится лампочка, если при перемещении заряда 10 Кл совершается работа 2200 Дж.

5. Определите сопротивление участка АВ в цепи, изображенной на рисунке.

6. Вычислите сопротивление нихромовой проволоки, длина которой 150 м, а площадь поперечного сечения 0,2 мм2.

7. По медному проводнику с поперечным сечением 3,5 мм2 и длиной 14,2 м идет ток силой 2,25 А. Определите напряжение на концах этого проводника.

8. Сколько электронов проходит через поперечное сечение проводника за 35 с при силе тока в нем 16 А?

9. Определите массу железной проволоки площадью поперечного сечения 2 мм2, взятой для изготовления резистора сопротивлением 6 Ом.

При пропускании постоянного электрического тока через электролит на электродах протекают химические реакции. Этот процесс называется электролиз, что означает разложение (вещества) с помощью электричества.

В разд. 8.1 было указано, что электролит -это такая жидкость, которая при пропускании через нее электрического тока подвергается химической реакции. Электролитом может быть расплавленная соль, как, например, расплав бромида свинца(Н), либо водный раствор какой-либо кислоты, основания или соли.

Электрический ток подводится к электролиту с помощью электродов - проволочных проводников, металлических стержней или пластин, осуществляющих электрический контакт с электролитом. Отрицательно заряженный электрод это катод, а положительный электрод -анод. Электроды, которые не вступают в химические реакции, находясь в контакте с электролитами и при пропускании через них электрического тока, называются инертными электродами. К числу инертных электродов относятся графит и платина.

ИОННАЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА

Согласно этой теории, прохождение постоянного электрического тока через электролит осуществляется с помощью ионов. На электродах происходит перенос электронов к ионам либо от них. Поэтому процессы, протекающие на электродах, могут рассматриваться как восстановительные или окислительные полуреакции. Таким образом, электролиз представляет собой окислительно-восстановительный процесс.

На аноде всегда осуществляется окислительная полуреакция. В этой реакции анионы теряют электроны и разряжаются, превращаясь в нейтральные частицы. Поэтому анод выступает в роли места стока электронов с анионов.

На катоде всегда осуществляется восстановительная полуреакция. Здесь катионы приобретают электроны и разряжаются, превращаясь в нейтральные частицы. Поэтому катод выступает в роли источника электронов для катионов.

Электролиз расплавленного бромида свинца(Н) состоит из двух полуреакций:

1) на аноде разряжаются бромид-ионы. (Уравнение этой полуреакции имеет

2Вг-(ж.) = Вг2(г.) + 2е-

Эта полуреакция представляет собой окисление.)

2) на катоде разряжаются ионы свинца. (Уравнение этой полуреакции:

РЬ2+(тв.) + 2е- = РЬ(ж.)

Эта полуреакция представляет собой восстановление.)

Следует отметить, что реакции, протекающие на аноде и катоде в каждой конкретной системе, предопределяются полярностью источника тока во внешней электрической цепи. Отрицательный полюс внешнего источника тока (батареи) поставляет электроны одному из электродов электролитической ячейки. Это обусловливает отрицательный заряд данного электрода. Он и становится катодом. Поскольку этот электрод заряжен отрицательно, он в свою очередь вызывает такую электродную реакцию, в которой происходит потребление электронов. Таким образом, на этом электроде осуществляется восстановительный процесс. На другом электроде электроны перетекают из электролитической ячейки обратно во внешнюю цепь, что делает этот электрод положительным электродом. Значит, этот электрод играет роль анода. Из-за его положительного заряда на нем протекает реакция, которая сопровождается отдачей электронов, т. е. окисление.

Схематическое изображение всего процесса электролиза представлено на рис. 10.6.

Образование нерастворимого вещества в результате химической реакции – это лишь одно из условий получения коллоидного раствора. Другим не менее важным условием является неравенство исходных веществ, взятых в реакцию. Следствием этого неравенства является ограничение роста величины частиц коллоидах растворов, которое привело бы к образованию грубодисперсной системы.

Механизм образования коллоидной частицы рассмотрим на примере образования золя иодистого серебра, который получается при взаимодействии разбавленных растворов азотнокислого серебра и йодистого калия.

AgNO 3 +KI = AgI + KNO 3

Ag + + NO 3 ¯ +K + + I ¯ = AgI ↓ + NO 3 ¯ + K +

Нерастворимые нейтральные молекулы йодистого серебра образуют ядро коллоидной частицы.

Сначала эти молекулы соединяются в беспорядке, образуя аморфную, рыхлую структуру, которая постепенно превращается в высокоупорядоченную кристаллическую структуру ядра. В рассматриваемом нами примере ядро это кристаллик йодистого серебра, состоящий из большого числа (m) молекул AgI:

m - ядро коллоидной частицы

На поверхности ядра происходит адсорбционный процесс. По правилу Пескова-Фаянса, на поверхности ядер коллоидных частиц адсорбируются ионы, входящие в состав ядра частицы, т.е. адсорбируются ионы серебра (Аg +) илиионы иода (I –). Из этих двух видов ионов адсорбируютcя те, которые находятся в избытке.

Так, если получать коллоидный раствор в избытке йодистого калия, то адсорбироваться на частицах (ядрах) будут ионы иода, которые достраивают кристаллическую решетку ядра, естественно и прочно входя в его структуру. При этом образуется адсорбционный слой, который придает ядру отрицательный заряд:

Ионы, адсорбирующиеся на поверхности ядра, придавая ему соответствующий заряд, называются потенциалобразующими ионами.

При этом в растворе находятся и противоположно заряженные ионы, их называют противоионами. В нашем случае это ионы калия (K +), которые электростатически притягиваются к заряженному ядру (величина заряда может достигать I в). Часть противоионов К + прочно связывается электрическими и адсорбционными силам и и входит в адсорбционный слой. Ядро с образовавшимся на нем двойным адсорбционным слоем ионов называется гранулой.

{m . nI – . (n-x) K + } x – (структура гранулы)

Оставшаяся часть противоионов (обозначим их числом "х К + ") образует диффузный слой ионов.

Ядро с адсорбционным и диффузным слоями называется мицеллой:

{m . nI –. (n-x) K + } x – . х К + (структура мицеллы)

При пропускании постоянного электрического тока через коллоидный раствор гранулы и противоионы двинутся к противоположно заряженным электродам соответственно.

Наличие одноименного заряда на поверхности частиц золей является важным фактором его устойчивости. Заряд препятствует слипанию и укрупнению частиц. В устойчивой дисперсной системе частицы удерживаются во взвешенном состоянии, т.е. не происходит выпадения в осадок коллоидного вещества. Это свойство золей называется кинетической устойчивостью.

Строение мицелл золя иодистого серебра, полученного в избытке AgNO 3 , представлено на рис. 1а, в избытке KCI - 1б.

Рис.1.5. Строение мицелл золя иодистоого серебра, полученного в избытке:

а) азотнокислого серебра; б) хлорида калия.

Электролиз – совокупность окислительно-восстановительных процессов, происходящих при пропускании постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита с погруженными в него электродами.

Прибор, в котором проводят электролиз, называется электролизером.

Электрод, на котором протекают процессы окисления, называется анодом. В электролизере он заряжен положительно (подключен к положительному полюсу внешнего источника постоянного тока).

Электрод, на котором протекают процессы восстановления, называется катодом. В электролизере он заряжен отрицательно (подключен к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока).

При приложении напряжения катионы (положительно заряженные частицы) движутся к катоду, анионы (отрицательно заряженные частицы) – к аноду, и там происходит их разряд. На аноде ионы отдают электроны, происходит их окисление. На катоде ионы принимают электроны, происходит их восстановление.

В электродных процессах не всегда участвуют только катионы и анионы электролита, конкуренцию им составляют молекулы растворителя, в частности, воды – если проводят электролиз водного раствора.

Кроме того, участие воды в электрохимических процессах при электролизе может привести и к другому результату. Образующиеся в качестве промежуточных продуктов свободные радикалы ОН (за счет окисления на аноде гидроксид-ионов ) и Н (за счет восстановления на катоде ионов водорода ) обладают высокой реакционной способностью и сильно выраженными соответственно окислительными и восстановительными свойствами. У поверхности электрода они способны вовлекаться во взаимодействие с растворенными в воде веществами. В таких случаях говорят об окислении в анодном и восстановлении в катодном пространствах.

Особенности протекания электрохимических процессов в водных растворах обусловлены способностью молекул воды повергаться как окислению (на аноде), так и восстановлению (на катоде).

Анод (+) рН=0 рН=7 рН=14

2H 2 O – 4e = 2O + 2H + 4ОН – – 4e = 4OH 4ОН – – 4e = 4OH

2О = О 2 4OH = O 2 + 2H 2 O 4OH = O 2 + 2H 2 O

2H 2 O – 4e = 2O + 2H +

Катод (–) рН=0 рН=7 рН=14

2H + + 2e = 2H 2H 2 O + 2e = 2H + 2OH – 2H 2 O + 2e = 2H + 2OH –

2Н = Н 2 или 2H = H 2

Различают первичные и вторичные электродные процессы. Первичные имеют электрохимическую природу, вторичные – неэлектрохимическую. В результате электролиза на электродах (катоде и аноде) выделяются соответствующие продукты восстановления и окисления (первичные процессы), которые в зависимости от условий могут вступать в реакции с растворителем, материалом электрода, друг с другом (рекомбинация атомов) и т.д. (вторичные процессы). В некоторых случаях нельзя однозначно разделить первичный и вторичный процессы. В приведенном выше примере свободные радикалы ОН (на аноде) и Н (на катоде) образовались в результате первичных процессов, а окисление манганат-ионов и восстановление азотной кислоты являлось вторичными процессами. Рассмотрим еще один пример.

В ряде случаев на протекание основных процессов при электролизе накладываются побочные реакции: взаимодействие между продуктами электролиза или реакции продуктов с водой. Для предотвращения вторичных реакций между продуктами электролиза используют диафрагмы (перегородки между анодом и катодом), препятствующие диффузии определенных ионов. Например, в приведенном примере с электролизом раствора хлорида натрия для предотвращения взаимодействия между хлором и гидроксид-ионами катод окружают диафрагмой, препятствующей диффузии ионов натрия и хлора. В результате в катодном пространстве концентрируется щелочь (NaОН). Поэтому в большинстве случаев следует ожидать небольшого различия в составе продуктов при электролизе одного и того же раствора с диафрагмой и без нее.

Е разл = Е А – Е К

Для каждого электролита существует определенное минимальное значение напряжения (от внешнего источника тока), которое необходимо приложить к электродам для протекания электролиза. Оно называется напряжением разложения (E разл).

Напряжение разложения представляет собой разность электродного потенциалов анодного и катодного процессов.

Е разл = Е А – Е К

На катоде в первую очередь происходит восстановление ионов или молекул, входящих в окислительно-восстановительную систему с наиболее положительным потенциалом (являющихся восстановленной формой в окислительно-восстановительных системах с наиболее положительным потенциалом).

1) Если электролизу подвергается расплав , содержащий несколько различных катионов металлов, то в этом случае последовательность восстановления определяется электродными потенциалами металлов в данных условиях (в данном расплаве! ). При этом в первую очередь восстанавливаются катионы металлов, обладающих большим значением электродного потенциала (с конца ряда напряжений для данного расплава).

2) Восстановительные процессы на катоде в водных растворах :

· катионы металлов, расположенных в ряду напряжений после водорода (со стандартным электродным потенциалом больше, чем у водорода): Cu 2+ , Hg 2 2+ , Ag + , Hg 2+ , Pt 2+ ... Pt 4+ . При электролизе они почти полностью восстанавливаются на катоде и выделяются в виде металла.

· катионы металлов, расположенных в начале ряда (со стандартным электродным потенциалом меньше, чем у алюминия): Li + , Na + , K + ... Al 3+ . При электролизе они не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды.

· катионы металлов, расположенных в ряду после алюминия и до водорода (со стандартным электродным потенциалом больше, чем у алюминия, но меньше, чем у водорода): Mn 2+ , Zn 2+ , Cr 3+ , Fe 2+ ... H. При электролизе эти катионы восстанавливаются на катоде одновременно с молекулами воды.

3) Если к раствору, содержащему несколько катионов, приложить постепенно возрастающее напряжение, то электролиз начинается тогда, когда достигается потенциал разложения катиона с наиболее положительным потенциалом. Так, при электролизе раствора, содержащего ионы Cu 2+ (Е 0 Cu 2+/ Cu = 0.35 В) и Zn 2+ (Е 0 Zn 2+/ Zn = – 0.76 В), на катоде вначале выделяется медь, и лишь после того, как почти все ионы меди разрядятся, начнет выделяться цинк.

Казалось бы, по значениям электродных потенциалов, в водном растворе можно было бы осадить только металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода. Однако, благодаря перенапряжению водорода удается осаждать из водных растворов многие металлы, которые по значениям их стандартных потенциалов осаждаться не должны (например, Zn). Кроме того, характер среды (кислая, нейтральная, щелочная) оказывает влияние на природу разряжаемого металла. Это связано с тем, что – как было показано выше, электродный потенциал зависит от реакции среды.

Электролиз– окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита. В электролизере электрическая энергия преобразуется в энергию химической реакции.

Катод (–) – отрицательный электрод, на котором при электролизе происходит восстановление .

Анод (+) – положительный электрод, на котором при электролизе происходит окисление .

В отличие от электролиза, в гальваническом элементе восстановление происходит на положительно заряженном катоде, а окисление – на отрицательно заряженном аноде.

При электролизе могут быть использованы инертные (нерастворимые) и активные (расходуемые) аноды. Активный анод окисляясь, посылает в раствор собственные ионы. Инертный анод лишь передатчик электронов и химически не изменяется. В качестве инертных электродов обычно используют графит, платину, иридий.

При электролизе расплавов и растворов электролитов, образовавшиеся при их диссоциации (под воздействием температуры или воды) ионы – катионы (Kt n +) и анионы (An m –) движутся, соответственно, к катоду (–) и аноду (+). Затем на электродах происходит передача электронов от катода к катиону, а анионы отдают электроны аноду.

Количественно электролиз описывается двумя законами Фарадея.

I закон Фарадея : масса выделяющегося при электролизе вещества пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролизер:

m = k∙I ∙τ = k ∙Q ,

где I – сила тока; τ – время протекания тока; Q = I∙τ – количество электричества; k – коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от выбранной системы единиц (если Q = 1 Кл, то m = k ).

Масса вещества, выделившаяся при прохождении 1 Кл электричества, называется электрохимическим эквивалентом.

II закон Фарадея : при одинаковых количествах электричества, пропущенного через электролит, количество грамм-эквивалентов продуктов электролиза одинаково.

Для выделения на электроде одного эквивалента любого вещества необходимо затратить одно и того же количество электричества, равное постоянной Фарадея F = 96485 Кл/моль . Действительно, один эквивалент вещества содержит N A = 6,02322∙10 23 частиц и чтобы восстановить такое число однозарядных ионов на катоде, необходимо затратить количество электричества:

F = N A ∙ ē = 6,02322∙10 23 частиц/моль ∙ 1,6021∙10 –19 Кл = 96485 Кл/моль,

где заряд электрона ē = 1,6021∙10 –19 Кл.

Обобщая оба закона Фарадея, можно записать.