Най-важното от урока
Електролиза: Принудителен окислително-редукционен процес, задвижван от електричен ток.
В стопилки: Процесът е прост – катионите се редуцират до метал на катода, анионите се окисляват на анода. Пример: стопен \(\text{NaCl} \to \text{Na} + \text{Cl}_2\).
Във водни разтвори: Има конкуренция от водата.
В стопилки: Процесът е прост – катионите се редуцират до метал на катода, анионите се окисляват на анода. Пример: стопен \(\text{NaCl} \to \text{Na} + \text{Cl}_2\).
Във водни разтвори: Има конкуренция от водата.
- Катод (-): Редуцира се по-силният окислител (йон на метал след H в РОАМ, или вода).
- Анод (+): Окислява се по-силният редуктор (безкислороден анион като \(\text{Cl}^-\), \(\text{Br}^-\), \(\text{I}^-\), или вода).
Електролизата е окислително-редукционен процес, който протича под действието на постоянен електричен ток в стопилка или разтвор на електролит. За разлика от процесите в галваничните елементи, електролизата не е спонтанна и изисква външен източник на енергия.
Катод (-): Отрицателният електрод, към който се движат положителните йони (катиони) и протича редукция (приемане на електрони).
Анод (+): Положителният електрод, към който се движат отрицателните йони (аниони) и протича окисление (отдаване на електрони).
Каква е основната разлика между галваничен елемент и електролизна клетка?
Отговор: В галваничния елемент спонтанна химична реакция произвежда електричен ток. В електролизната клетка електричен ток се използва, за да предизвика неспонтанна химична реакция.
При електролиза на стопилка на електролит участват само йоните, получени при неговото стапяне. Катионите се редуцират на катода до метал, а анионите се окисляват на анода.
При електролиза на стопилка от натриев хлорид (\(\text{NaCl}\)) протичат следните процеси:
- На катода (-): \(\text{Na}^+ + \text{e}^- \to \text{Na}\) (Редукция)
- На анода (+): \(2\text{Cl}^- - 2\text{e}^- \to \text{Cl}_2\) (Окисление)
Какви продукти ще се получат при електролиза на стопилка от калиев бромид (\(\text{KBr}\))?
Отговор: На катода ще се получи метален калий (\(\text{K}\)), а на анода - бром (\(\text{Br}_2\)).
Във водни разтвори освен йоните на електролита присъстват и йони от дисоциацията на водата (\(\text{H}^+\) и \(\text{OH}^-\)). Поради това на електродите протича конкуренция между йоните.
На катода (-): Редуцира се по-силният окислител. Сравняват се катионите на метала и водородните йони (\(\text{H}^+\)) по Реда на относителна активност на металите (РОАМ).
- Йони на метали след \(\text{H}\) (напр. \(\text{Cu}^{2+}, \text{Ag}^+\)) се редуцират.
- Йони на метали преди \(\text{H}\) (напр. \(\text{Na}^{+}, \text{K}^{+}\)) не се редуцират. Вместо тях се редуцират водни молекули до водород (\(\text{H}_2\)).
На анода (+): Окислява се по-силният редуктор. Сравняват се анионите на електролита и хидроксидните йони (\(\text{OH}^-\)).
- Аниони като \(\text{Cl}^-, \text{Br}^-, \text{I}^-\) са по-силни редуктори от \(\text{OH}^-\) и се окисляват.
- Кислородсъдържащи аниони (\(\text{SO}_4^{2-}, \text{NO}_3^-\)) не се окисляват. Вместо тях се окисляват водни молекули до кислород (\(\text{O}_2\)).
При електролиза на воден разтвор на \(\text{CuCl}_2\):
- Катод (-): \(\text{Cu}^{2+}\) е по-силен окислител от \(\text{H}^+\) (медта е след водорода в РОАМ) \(\implies \text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \to \text{Cu}\)
- Анод (+): \(\text{Cl}^-\) е по-силен редуктор от \(\text{OH}^-\) \(\implies 2\text{Cl}^- - 2\text{e}^- \to \text{Cl}_2\)
Какво ще се отдели на катода при електролиза на воден разтвор на цинков сулфат (\(\text{ZnSO}_4\))?
Отговор: Цинкът е активен метал (преди водорода в РОАМ), затова неговите йони \(\text{Zn}^{2+}\) са по-слаб окислител от \(\text{H}^{+}\). На катода ще се редуцират водни молекули и ще се отдели водород (\(\text{H}_2\)).
Това е електролиза на воден разтвор на натриев хлорид (\(\text{NaCl}\)) с голямо промишлено значение за производството на натриева основа, водород и хлор.
\[ 2\text{NaCl}_{(\text{р})} + 2\text{H}_2\text{O}_{(\text{м})} \xrightarrow{\text{постоянен ел. ток}} \text{H}_{2(\text{г})} + \text{Cl}_{2(\text{г})} + 2\text{NaOH}_{(\text{р})} \]
Продукти: водород (на катода), хлор (на анода) и натриева основа (в разтвора)
Процесите на електродите са:
- Катод (-): \(\text{Na}^+\) са на активен метал, затова се редуцират водни молекули: \(2\text{H}_2\text{O} + 2\text{e}^- \to \text{H}_2 + 2\text{OH}^-\). Образуваните \(\text{OH}^-\) йони правят средата алкална.
- Анод (+): \(\text{Cl}^-\) са по-силен редуктор от \(\text{OH}^-\) и се окисляват: \(2\text{Cl}^- - 2\text{e}^- \to \text{Cl}_2\).
Как ще докажете експериментално, че в разтвора след електролиза на \(\text{NaCl}\) се е получила основа?
Отговор: Чрез добавяне на киселинно-основен индикатор, например фенолфталеин. В алкална среда (наличие на \(\text{OH}^-\) йони) той се оцветява в малиновочервено.
Задачи за упражнение
Лесна: Определете продуктите от електролизата на стопилка от \(\text{CaCl}_2\).
При стопилка няма конкуренция. На катода се редуцират \(\text{Ca}^{2+}\) йони до метален калций (\(\text{Ca}\)). На анода се окисляват \(\text{Cl}^-\) йони до газ хлор (\(\text{Cl}_2\)).
Средна: Предскажете продуктите при електролиза на воден разтвор на калиев йодид (\(\text{KI}\)). Напишете процесите на електродите.
Катод (-): Калий (\(\text{K}\)) е активен метал, затова се редуцира вода: \(2\text{H}_2\text{O} + 2\text{e}^- \to \text{H}_2 + 2\text{OH}^-\). Продукт: водород.
Анод (+): Йодидните йони (\(\text{I}^-\)) са по-силен редуктор от хидроксидните: \(2\text{I}^- - 2\text{e}^- \to \text{I}_2\). Продукт: йод.
Анод (+): Йодидните йони (\(\text{I}^-\)) са по-силен редуктор от хидроксидните: \(2\text{I}^- - 2\text{e}^- \to \text{I}_2\). Продукт: йод.
Трудна: Провежда се електролиза на воден разтвор на сребърен нитрат (\(\text{AgNO}_3\)). Какви вещества ще се получат на катода и анода? Обосновете отговора си.
Катод (-): Сравняваме \(\text{Ag}^+\) и \(\text{H}^+\). Среброто е след водорода в РОАМ, следователно \(\text{Ag}^+\) е по-силен окислител. На катода ще се отдели метален сребро: \(\text{Ag}^+ + \text{e}^- \to \text{Ag}\).
Анод (+): Сравняваме \(\text{NO}_3^-\) и \(\text{OH}^-\). Нитратният йон е кислородсъдържащ и е много слаб редуктор. Затова се окислява вода (или \(\text{OH}^-\) йони) до кислород: \(2\text{H}_2\text{O} - 4\text{e}^- \to \text{O}_2 + 4\text{H}^+\).
Продукти: сребро (на катода) и кислород (на анода).
Анод (+): Сравняваме \(\text{NO}_3^-\) и \(\text{OH}^-\). Нитратният йон е кислородсъдържащ и е много слаб редуктор. Затова се окислява вода (или \(\text{OH}^-\) йони) до кислород: \(2\text{H}_2\text{O} - 4\text{e}^- \to \text{O}_2 + 4\text{H}^+\).
Продукти: сребро (на катода) и кислород (на анода).
