Электролиз

Электролиз — это окислительно-восстановительная реакция, сопровождающаяся разложением веществ под действием постоянного электрического тока в растворе или расплаве электролита.

Электролит — вещество, проводящее электрический ток за счёт диссоциации на ионы в растворах или расплавах.

Электрод — проводник, через который ток переходит в электролит.

Существует два типа электродов:

Катод — отрицательно заряженный электрод (восстановление).
Анод — положительно заряженный электрод (окисление).

Электроды бывают:

Инертные — не участвуют в реакции (графит, платина).
Неинертные — участвуют в реакции (медь, серебро и др.).

Электролиз бывает двух видов:

Классификация электролиза: расплавы и растворы

Электролиз расплавов

Рассмотрим на примере расплава хлорида натрия (NaCl):

K^–: 2Na⁺ + 2e^– → 2Na
A⁺: 2Cl^– – 2e^– → Cl₂
Суммарно: 2NaCl → 2Na + Cl₂

Ионы Na⁺ восстанавливаются на катоде до металлического натрия, а ионы Cl^– окисляются на аноде до хлора.

Электролиз растворов

В растворе участвуют ионы соли и молекулы воды. Вода может окисляться или восстанавливаться в зависимости от условий.

Катод: 2H₂O + 2e^– → H₂ + 2OH^–
Анод: 2H₂O – 4e^– → O₂ + 4H⁺
Суммарно: 2H₂O → 2H₂ + O₂

Правила определения продуктов электролиза

На катоде: восстанавливается то, что легче восстановить — металл или вода.

Очень активные металлы (Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al)	Средне активные металлы (Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb)	Водород	Неактивные металлы (Cu, Ag, Hg, Au)
Восстанавливается вода: 2H₂O + 2e^– → H₂ + 2OH^–	Конкуренция: Meⁿ⁺ + ne^– → Me и 2H₂O + 2e^– → H₂ + 2OH^–	2H⁺ + 2e^– → H₂	Meⁿ⁺ + ne^– → Me

На аноде: окисляется анион или вода.

Бескислородные анионы		Кислородсодержащие анионы
F^–	Cl^–, Br^–, I^–, S^2–	Щелочная среда	Кислая/нейтральная среда
2H₂O – 4e^– → O₂ + 4H⁺	2Cl^– – 2e^– → Cl₂	4OH^– – 4e^– → O₂ + 2H₂O	2H₂O – 4e^– → O₂ + 4H⁺

Примеры электролиза растворов неорганических солей

Раствор NaCl:

K^–: 2H₂O + 2e^– → H₂ + 2OH^–
A⁺: 2Cl^– – 2e^– → Cl₂
2NaCl + 2H₂O → H₂ + Cl₂ + 2NaOH

Среда — щелочная.

Раствор CuSO₄:

K^–: Cu²⁺ + 2e^– → Cu
A⁺: 2H₂O – 4e^– → O₂ + 4H⁺
2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄

Среда — кислая.

Электролиз органических соединений

Ацетат натрия (CH₃COONa):

2CH₃COONa + 2H₂O → H₂ + CH₃–CH₃ + 2CO₂ + 2NaOH

На аноде — этан и CO₂, на катоде — H₂, среда — щелочная.

Формиат меди (Cu(HCOO)₂):

K^–: Cu²⁺ + 2e^– → Cu
A⁺: 2HCOO^– – 2e^– → 2CO₂ + H₂
Cu(HCOO)₂ → Cu + 2CO₂ + H₂

Среда — нейтральная.

Применение электролиза в промышленности

Получение активных металлов (Na, K, Al, Mg) из расплавов.
Производство простых веществ:
- водород — из растворов солей активных металлов,
- кислород — из растворов щелочей или сульфатов,
- хлор — из раствора NaCl,
- фтор — из расплава KF·2HF,
- алюминий — из Al₂O₃ в расплаве криолита.
Получение щелочей (NaOH, KOH) из раствора NaCl.
Производство бертолетовой соли (KClO₃).
Гальванопокрытия для защиты от коррозии.