Общая химия (стр. 35 )

Характер реакций, протекающих на аноде, зависит как от присутствия молекул воды, так и от вещества, из которого сделан анод. Обычно аноды подразделяются на нерастворимые и растворимые. Первые изготавливаются из угля, графита, платины, иридия; вторые — из меди, серебра, цинка, кадмия, никеля и других металлов.

На нерастворимом аноде в процессе электролиза происходит окисление анионов или молекул воды. При этом анионы бескислородных кислот (например, S2-, I-, Вг-, Сl-) при их достаточной концентрации легко окисляются. Если же раствор содержит анионы кислородных кислот, то на аноде окисляются не эти ионы, а молекулы воды с выделением кислорода.

Растворимый анод при электролизе сам подвергается окислению, т. е. посылает электроны во внешнюю цепь. При отдаче электронов смещается равновесие между электродом и раствором:

и анод растворяется.

Примеры электролиза водных растворов электролитов приведены в § 7.9.

§ 7.8. Применение электролиза

Электролиз находит весьма широкое применение. Для защиты металлических изделий от коррозии на их поверхность наносится тончайший слой другого металла — хрома, серебра, золота, меди, никеля и т. д. Иногда применяют многослойное покрытие. Например, внешние детали автомобиля сначала покрывают тонким слоем меди, на медь наносят тончайший слой никеля, а на него — слой хрома.

Нанесенные на металлы электролизом покрытия получаются ровными по толщине, прочными, служат долго и, кроме того, таким способом можно покрывать изделия любой формы. Эту отрасль прикладной электрохимии называют гальваностегией. Защищая от коррозии, гальванические покрытия придают к тому же предметам красивый декоративный вид.

Другая отрасль электрохимии, близкая по принципу к гальваностегии, названа гальванопластикой. Это получение точных металлических копий с различных предметов. Предмет, с которого хотят изготовить копию, покрывают воском, дают воску застыть и получают восковую матрицу, на которой все углубления копи­руемого предмета будут выпуклостями. Внутреннюю поверхность матрицы покрывают тонким слоем графита, проводящим электрический ток. Этот графитовый катод опускают в ванну с раствором сульфата меди; анодом служит медь. При электролизе медный анод растворяется, а на катоде осаждается медь. Таким образом получается точная медная копия предмета. С помощью гальванопластики изготовляют клише для печати, грампластинки, металлизируют различные предметы. Гальванопластика открыта русским ученым (1838).

Электролиз используется для получения многих металлов — щелочных, щелочно-земельных, алюминия, лантаноидов и др., а также для очистки некоторых металлов от примесей.

В дальнейшем при изучении химии вы встретитесь с другими важными областями применения электролиза в технике, искусстве и быту.

§ 7.9. Решение типовых задач

Окислительно-восстановительные реакции

Задача 1. Подберите коэффициенты в схеме окислительно-восстановительной реакции

Решение. Коэффициенты находим методом электронного баланса. Покажем степень окисления элементов, которые ее меняют:

Здесь S — восстановитель, HNОз — окислитель.

Составляем электронные уравнения и находим коэффициенты при окислителе, восстановителе и продуктах их восстановления и окисления:

Подставляем полученные коэффициенты в схему реакции

Проверяем правильность написания уравнения реакции. Число атомов каждого элемента в левой части уравнения равно числу тех же атомов в правой части уравнения. Следовательно, уравнение составлено правильно.

Задача 2. Составьте уравнение реакции восстановления Fез04 водородом.

Решение. Запишем схему процесса с указанием изменения сте­пеней окисления элементов:

+8/3         0         0  +1

Fе304 + Н2 >Fе + Н20

Составляем электронные уравнения:

Найденные коэффициенты проставляем в схему процесса, заменяя стрелку на знак равенства:

Fе304 + 4Н2 = ЗFе + 4Н20

Задача 3. Подберите коэффициенты в схеме окислительно-восстановительной реакции:

КN02 + К2Сr2О7 + Н2S04 >  КNО3 + Сr2(S04)з + К2S04 + Н2О

Решение 1. Находим коэффициенты методом электронного баланса. Записываем схему реакции с указанием степени окисления элементов, которые ее меняют:

+3        +6        +5         +3

КN02 + К2Сr207 + Н2S04 >  KNО3 + Сr2(S04)3 + К2S04 + Н20

Здесь КN02 является восстановителем, а дихромат калия — окислителем.

Составляем электронные уравнения, учитывая, что I моль К2Сr207 и 1 моль Сr2(S04)з содержат по 2 моль атомного хрома:

Найденные коэффициенты при восстановителе КN02 и продукте его окисления КNО3 и окислителе К2Сr2О7 и продукте его восстановления Сr2(S04)з подставляем в схему реакции:

ЗКN02 + К2Сr207  > ЗКNО3 + Сr2(S04)з + К2S04 + Н20

Остальные коэффициенты находим подбором в последовательности: соль (К2S04), кислота (Н2S04), вода. Окончательное уравнение реакции имеет вид

ЗКN02 + К2Сr2О7 + 4Н2S04 = ЗКNО3 + Сr2(S04)3 + K2S04 + 4Н20

Для проверки правильности подбора коэффициентов подсчитаем число атомов кислорода  в левой и правой частях уравнения. В левой части: 3?2 + 7 + 4? 4 = 29. В правой части: 3 ? 3 + 3 ? 4 + + 4 + 4 = 29.

Решение 2. Найдем коэффициенты методом полуреакций (факультативно).

В первой полуреакции восстановитель — нитрат-ион N02 — переходит в нитрат-ион N03, принимая один атом кислорода от молекулы воды:

Уравняв число зарядов, получаем:

Во второй полуреакции окислитель — ион — переходит в ион Сг3+, т. е. 7 атомов кислорода в кислой среде связываются с 14 ионами водорода с образованием воды:

+ 14Н+  > 2Сг3+ + 7Н20

Уравняв число зарядов, получаем

Составляем суммарное ионное уравнение реакции:

Сократив одинаковое число ионов водорода и молекул воды в левой и правой частях уравнения, получаем

Прибавляя одинаковое число ионов к левой и правой частям, получаем уравнение реакции в молекулярной форме:

Задача 4. Подберите коэффициенты в окислительно-восстановительной реакции с участием органических соединений

Решение. Составляем схему реакции с указанием степеней окисления атомов в молекулах восстановителя, окислителя и продуктов их восстановления и окисления:

Отсюда видно, что СНзОН — восстановитель, а КМп04 — окислитель. Составляем электронные уравнения:

и подставляем коэффициенты в схему реакции:

5СН3ОН + 4КМn04 + Н2S04  > 5НСООН + 4МnS04 + К2S04 + Н20

Остальные коэффициенты находим подбором в обычной последовательности: К2S04, Н2S04, Н20.

Окончательно уравнение реакции имеет вид

5СН3ОН + 4КМnО4 + 6Н2S04 > 5НСООН + 4МnS04 + 2К2S04 + 11Н20

Электролиз расплавов и растворов

Задача 1. Составьте схему электролиза расплавов  а) гидроксида калия; б) сульфата натрия.

Решение, а) В расплаве гидроксид калия диссоциирует на ионы:

При протекании через расплав электрического тока к отрицательному электроду (катоду) будут перемещаться катионы. К+ и принимать электроны (восстанавливаться). К положительному электроду (аноду) будут подходить анионы ОН - и отдавать электроны (окисляться). Таким образом, схема процесса выглядит следующим образом:

Схема процесса электролиза:

Задача 2. Составьте схемы электролиза водных растворов: а) сульфата меди; б) хлорида магния; в) сульфата калия.

Во всех случаях электролиз проводится с использованием угольных электродов.

Решение, а) В растворе сульфат меди диссоциирует на ионы:

Ионы меди могут восстанавливаться на катоде в водном растворе. Сульфат-ионы в водном растворе не окисляются, поэтому на аноде будет протекать окисление воды (см. § 7.7).

Схема электролиза:

б) Диссоциация хлорида магния в водном растворе:

ионы магния не могут восстанавливаться в водном растворе (идет восстановление воды), хлорид-ионы — окисляются (см. §7-7).

Схема электролиза:

в) Диссоциация сульфата калия в водном растворе:

Ионы калия и сульфат-ионы не могут разряжаться на электродах в водном растворе (см. § 7.7), следовательно, на катоде будет протекать восстановление, а на аноде — окисление воды. Схема электролиза

или, учитывая, что 4Н+ + 40Н - = 4Н20 (осуществляется при перемешивании),

Задача 3. При электролизе водного раствора гидроксида калия с инертными электродами на катоде выделился водород объемом 11,2л (нормальные условия). Рассчитайте объем кислорода, который выделился при этом на аноде.

Решение 1. Записываем уравнение электролиз, учитывая, что на катоде восстанавливается вода (катионы калия не восстанавливаются в водных растворах), а на аноде окисляются гидроксид - ионы:

Определяем количество вещества выделившегося водорода:

Из уравнения реакции следует:

Вычисляем объем выделившегося кислорода:

V(02) = V (02) • Vm ; V(02) = 0,25 ? 22,4 л - 5,6 л.

Решение 2. Используем следствие из закона Авогадро, согласно которому одинаковые количества веществ различных газов при одинаковых условиях занимают одинаковый объем. Поэтому из уравнения электролиза (см. решение 1) следует:

ПРИЛОЖЕНИЕ

1. Условные обозначения, названия и единицы физических величин

2. Периодическая таблица химических элементов

3. Растворимость оснований и солей в воде

Примечание: р — растворимое вещество (растворимость свыше 1 г вещества в воде массой 100 г); м — малорастворимое вещество (в воде массой 100 г растворяется вещество массой от 0,1 г до 1 г); н — практически нерастворимое вещество (в воде массой 100 г растворяется меньше 0,1 г вещества); — (прочерк) — вещество не существует или разлагается водой.