Електроліз водних розчинів електролітів

У водних розчинах окрім катіонів і аніонів електроліту присутні іони H⁺, OH ^- і молекули H₂O. При наявності в розчині різних видів іонів і частинок можливе здійснення декількох електродних реакцій.

Послідовність їх протікання на катоді та аноді буде залежати від значення електродних потенціалів відповідних електро­хімічних систем.

Із кількох можливих процесів буде протікати лише той, здій­снення якого поєднано з мінімальною втратою енергії.

На катоді при електролізі водних розчинів можуть протікати наступні реакції:

І. Відновлення катіонів металів:

Meⁿ⁺+ nē = Me⁰, . (1)

2. Відновлення (виділення) водню в кислому середовищі:

2H⁺+ 2ē = H₂⁰, . (2)

в нейтральному та лужному середовищах:

2H₂O + 2ē = H⁰₂ + 2OH^-, . (3)

3. Відновлення інших речовин (окисників):

Ox + nē = Red, (Ox: Cl₂, I₂, O₂…).(4)

Відповідно, на катоді в першу чергу буде відновлюватися більш сильний окисник, тобто та окисна форма, якій відповідає найбільш позитивне значення електродного потенціалу.

За послідовністю відновлення на катоді всі окисники можна розподілити на три групи:

І. Катіони лужних та лужноземельних металів, алюмінію, що стоять вище (більш ліворуч) алюмінію у ряді напруги металів і мають потенціали значно більш негативні, ніж - 0,41 В. У водних розчинах розряд цих іонів на катоді не відбува­ється, а виділяється водень за реакцією (2) або (3).

2. Катіони Sn²⁺, Pb²⁺, Ni²⁺, Co²⁺ та інші, що знаходяться у ряді напруги між алюмінієм та воднем, потенціали яких близькі

до - 0,41 В. В залежності від умов електролізу (щільності стру­му, температури, складу розчину та його концентрації) можливе як відновлення іонів металу, так і виділення іонів водню. Частіше спостері­гається сумісне виділення металу і водню.

3. Катіони Сu ²⁺, Ag ⁺, Hg ²⁺, Au^{3 +} , платинових металів, що мають потенціали значно більш позитивні, ніж - 0,41 В, а також окисники O₂, Cl₂, Br₂, I₂, що відновлюються в першу чергу. Виділення Н₂ при цьому не відбувається.

На аноді при електролізі водних розчинів можуть протікати такі процеси:

1. Окиснення (розчинення) металу анода

Me⁰- nē = Meⁿ⁺, .(5)

2. Окиснення OH^-і H₂O з виділенням О₂

в кислому та нейтральному середовищах:

2H₂O - 4ē = O₂ + 4H⁺, . (6)

в лужному середовищі:

4OH^-- 4ē = O₂ + 2H₂O, . (7)

3. Окиснення інших відновників (S^2-, Cl^-, Br^-, I^-, NO^-₃, SО₄^2-, PO₄^3-), що присутні в розчині:

Red – nē = Ox, . (8)

На аноді, протікає реакція окислення, тобто віддача електронів відновником. Тому на аноді в першу чергу буде окислюватися найбільш активний з них, тобто та відновлена форма, якій відповідає найбільш негативний потенціал.

Якщо потенціал, що відповідає реакції (5), більш негативний, ніж потенціал , то відбувається розчинення металу анода. При цьому протікає електроліз з розчинним анодом.

У випадку, коли має більш позитивне значення, ніж або , електроліз протікає з нерозчинним анодом. В якості нерозчинних (інертних) анодів використовують графіт, золото, платинові метали.

При наявності у розчині сульфід-іона S^2- і галогенід-іонівCl^-, Вr^-, I^-відбувається їх окислення за рівнянням (8).

Іони NO^-₃, SO₄^2-, PO₄^3- на аноді не окислюються, тому в їх присутності у розчині на інертному аноді протікає лише реакція виділення кисню за рівнянням (6).

Розглянемо декілька типових випадків електролізу водних розчинів електролітів.

Електроліз розчину CuCl₂ з інертним анодом

CuCl₂ дисоціює на іони Cu Cl₂ Cu²⁺+ 2Cl^-

Крім того в розчині є молекули води, що можуть брати участь як в анодному, так і в катодному процесах. Купрум відноситься до третьої групи катіонів, котрі в першу чергу відновлюються на катоді. Біля анода в даному випадку будуть окислюватися аніони Сl^- до газоподібного Cl₂.

Схема електролізу CuCl₂:

K(-) | Cu²⁺, H₂O; Cu²⁺+ 2ē = Cu⁰

A(+) | 2Cl^-, H₂O; 2Cl^- - 2ē = Cl⁰₂

Cu²⁺ + 2Cl^- = Cu⁰+ Cl⁰₂

CuCl₂ = Cu⁰ + Cl⁰₂.

К А