В чем заключается процесс электролитической диссоциации электролиза
Электролиз
Процесс электролиза заключается в перемещении катионов (положительно заряженных ионов) к катоду (заряжен отрицательно), и отрицательно заряженных ионов (анионов) к аноду (заряжен положительно).
Итак, анионы и катионы устремляются соответственно к аноду и катоду. Здесь и происходит химическая реакция. Чтобы успешно решать задания по этой теме и писать реакции, необходимо разделять процессы на катоде и аноде. Именно так и будет построена эта статья.
Катод
Чтобы установить, какая реакция идет на катоде, прежде всего, нужно определиться с активностью металла: его положением в электрохимическом ряду напряжений металлов.
Примеры решения
В процессе тренировки вам могут попадаться металлы, которые пропущены в ряду активности. На этапе обучения вы можете пользоваться расширенным рядом активности металлов.
Теперь вы точно будете знать, что выделяется на катоде 😉
Итак, потренируемся. Выясним, что образуется на катоде и аноде при электролизе растворов AgCl, Cu(NO3)2, AlBr3, NaF, FeI2, CH3COOLi.
Иногда в заданиях требуется записать реакцию электролиза. Сообщаю: если вы понимаете, что образуется на катоде, а что на аноде, то написать реакцию не составляет никакого труда. Возьмем, например, электролиз NaCl и запишем реакцию:
NaCl + H2O → H2 + Cl2 + NaOH (обычно в продуктах оставляют именно запись «NaOH», не подвергая его дальнейшему электролизу)
Запишем реакцию электролиза для CuSO4:
Медь относится к малоактивным металлам, поэтому сама в чистом виде выделяется на катоде. Анион кислородсодержащий, поэтому в реакции выделяется кислород. Сульфат-ион никуда не исчезает, он соединяется с водородом воды и превращается в серую кислоту.
Электролиз расплавов
Все, что мы обсуждали до этого момента, касалось электролиза растворов, где растворителем является вода.
Но как быть с активными металлами: Na, K, Li? Ведь при электролизе их растворов они не выделяются на катоде в чистом виде, вместо них восстанавливаются молекулы воды и выделяется водород. Тут нам как раз пригодятся расплавы, которые не содержат воды.
В безводных расплавах реакции записываются еще проще: вещества распадаются на составные части:
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Электрический ток в электролитах — механизм возникновения, законы и применение
Передача электричества
Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Носителями заряда электрического тока в электролитах являются ионы. Они образуются в результате распада (электролитической диссоциации) молекул вещества под действием молекул воды в растворе или при нагревании и образовании расплава.
Расщепление молекул происходит за счёт разрыва полярных ковалентных или ионных связей. Интенсивность диссоциации зависит от температуры и концентрации раствора. Также на степень диссоциации влияет природа электролита. В связи с этим выделяют:
К слабым электролитам относится большинство органических веществ, слабые кислоты, плохо растворимые соли и нерастворимые основания. Сильные кислоты, щёлочи, соли относятся к сильным электролитам.
Рис. 1. Процесс электролитической диссоциации.
Образованные в результате диссоциации ионы делятся на два типа:
Проводником электрического тока в электролитах является электрод. Он может быть анодом или катодом. Анод присоединён к положительному полюсу источника тока, катод – к отрицательному. Анод окисляет вещества, находящиеся в электролите, катод – восстанавливает.
Если в раствор электролита поместить два электрода – катод и анод – и включить электрический ток, то ионы начнут двигаться под действием электрического поля. Катионы устремятся к катоду, анионы – к аноду. Достигнув электродов, ионы нейтрализуются, превращаются в нейтральные атомы и оседают.
Процесс разложения вещества на составные части, которые оседают на электродах, называется электролизом.
Электрическая диссоциация
Это основополагающий процесс для появления электротока в растворах, поэтому его необходимо рассмотреть более подробно. Все ионы, образующиеся при распаде молекул, можно разделить на 2 типа:
Большинство свойств воды обусловлено полярностью молекул вещества. Говоря иначе, с точки зрения электротехники они являются диполями. Здесь следует вспомнить определение диполи — это система двух частиц, расположенных близко друг к другу. При этом их заряды противоположны по знаку, но одинаковы по модулю. Свойство полярности H2O объясняется геометрическим строением молекул вещества:
Являясь диполями, молекулы воды способны создавать вокруг себя электрополе, которое воздействует не только на них, но и на частицы растворенного вещества.
Чтобы установить, какова природа процесса распада молекул на ионы, следует рассмотреть раствор поваренной соли. На внешней орбите атома натрия расположен лишь 1 электрон. Его связь с атомом слаба, поэтому он способен быстро уйти со своего места. У атома хлора на внешней орбите находится уже 7 электронов и до комплекта не хватает одной частицы. Благодаря этому при образовании кристалла NaCl внешний электрон натрия присоединяется к атому хлора. В итоге образуется диполь.
Взаимодействие двух видов диполей и способствуют активизации процесса растворения. Если в раствор электролита поместить 2 электрода — катод (отрицательный) и анод (положительный), то свободные ионы устремятся к ним. При этом направление их движения протекает по конкретным правилам:
Как только переносчики электротока достигают электродов, они теряют свой заряд, превращаясь в нейтральные, и оседают на поверхности электродов.
Закон Фарадея
Процесс электролиза экспериментально изучил английский физик и химик Майкл Фарадей в 1833 году. Он сформулировал закон, согласно которому масса выделившегося на электроде вещества прямо пропорциональна прошедшему через электролит заряду. Этот закон закрепился в науке как первый закон Фарадея.
Рис. 3. Майкл Фарадей.
Согласно второму закону Фарадея масса выделившегося на электроды вещества прямо пропорциональна отношению молярной массы к валентности и равна электрохимическому эквиваленту.
Электролиз используется в щелочных и кислотных аккумуляторах. С помощью электролиза можно защитить изделие металлическим покрытием.
Электролиз с переменным током. Вступление
Как происходит электролиз? Например, представим себе раствор хлорида меди, в который опущено два графитовых (инертных) электрода. Напряжение — обычно 4-12 В, ток, разумеется, постоянный.
На положительном электроде (анод) будут окисляться анионы хлора с выделением газообразного хлора (Cl2), на отрицательном электроде (катод) будут восстанавливаться катионы меди и выделяться металлическая медь (часто — в виде губки, чтобы получилось прочное покрытие нужно следить за плотностью тока на катоде).
А что будет, если к электродам подключить переменный ток, например, частотой 50 Гц? Т.е., чтобы каждый электрод становился, то катодом, то анодом и так 50 раз в секунду. Большинство людей, столкнувшись с этим вопросом, отвечали, что электролиза не будет. Некоторые были настолько не согласны с возможностью протекания электролиза с переменным током, что выходили за рамки приличного поведения. — Как будто это была неслыханная ересь.
Как впервые ответил на этот вопрос я сам? Увы, не пришлось: сначала я столкнулся с растворением родия под действием переменного тока, и только потом задался вопросом, как такое возможно?
Родий, в отличие от золота, платины и палладия, не растворяется даже в царской водке. Перевести его в раствор — проблема. Тем не менее, растворять родий приходится, например, с целью приготовления электролита для получения родиевого покрытия.
Решение оказалось простым. Два родиевых электрода опускают в раствор соляной или серной кислоты и подключают через ЛАТР переменный ток от сети (50 Гц), напряжение — около 10 В. Родиевые электроды постепенно растворяются, раствор окрашивается в темно-вишневый (или коричневый) цвет: мы имеем дело с электролизом с неинертным (растворимым) анодом.
Почему родий переходит из электродов в раствор — понятно: происходит анодное растворение, но почему катионы родия не осаждаются из раствора назад на электроды (в тот момент, когда электрод играет роль катода)?
Именно этот вопрос я задал сотруднику, который много лет занимался анодным растворением родия с помощью электрического тока. Оказывается, растворение родия с электродов и обратное его осаждение на электроды из раствора происходит с разной скоростью (растворение идет быстрее): благодаря этому в растворе и накапливается родий.
В разбавленной соляной кислоте родий растворяется быстрее, чем в разбавленной серной кислоте (анодное растворение переменным током), но для приготовления электролита родирования нужен именно сульфат. Если вы получите хлорид родия, его придется переводить в сульфат через промежуточное осаждение гидроксида. Лично я занимался анодным растворением родия в бромистоводородной кислоте — в ней родий растворялся еще медленнее, чем в серной, но для синтезов был нужен именно гидратированный бромид родия.
В сказанном выше нет ничего оригинального: упомянутая методика приготовления электролита для родирования изложена в ОСТ-107 460092 001 — 96 [1] (издание официальное). Проблема была в том, что оно было под грифом «ДСП» [2] т.е. секретно. Благодаря этому некоторые не совсем порядочные сотрудники держали методику в секрете, якобы как личное ноу-хау, и зарабатывали тем, что готовили электролит за деньги (хотя заказчики (Запорожье), если бы у них была методика, легко справились бы с этим сами).
Но времена меняются: появились сканеры и появился интернет. Поэтому отсканировал ОСТ и выложил для всех.
Выше упомянут случай электрохимического растворения родия с переменным током, который, кстати, применим и для других благородных металлов. Но в промышленности и лабораторной практике переменный и импульсный ток используется также для осаждения металлов, например, с целью получения гальванических покрытий или мелкодисперсных порошков металлов. Применяться может, как симметричный (синусоида), так и ассиметричный переменный ток.
Протекание электролиза с переменным током зависит от частоты, напряжения, силы тока и от ряда других факторов. При частоте в десятки, сотни и тысячи герц ионы успевают дойти до электродов и там разрядиться. Если частота поднимается до миллионов герц (МГц), разрядка ионов прекращается, т.к. ионы не успевают достигнуть электродов и разрядиться.
Большое значение имеет химическая природа системы, на которую действует электрический ток (состав электролита и материал электродов). Забегая наперед, скажу: часто все совсем не так, как с постоянным током. Кроме того, в некоторых случаях поверхность электрода может играть роль выпрямителя, превращая симметричный переменный ток в ассиметричный переменный или в импульсный ток.
Во многих случаях переменный или импульсный ток используют для электролиза не от хорошей жизни: делается это в основном тогда, когда применение постоянного тока или методов без участия электрического тока (например, химическое растворение и химическое осаждение) дает плохие результаты.
В некоторых случаях электролиз переменным током — нежелательное явление, которое возникает мимо нашей воли. Например, в нагревателях и парогенераторах, которые работают за счет омического тепла от прохождения переменного тока через воду, может происходить разложение воды на водород и кислород — так же, как при действии постоянного тока (такие нагреватели работают по принципу «Кипятильника из двух лезвий
» [3]). В данном случае наиболее важной является критическая плотность тока на электродах, после превышения которой происходит активный электролиз воды. Разумеется, при этом энергия электрического тока расходуется не на нагрев (или испарение) воды, а на бесполезное ее разложение.
Но я и не утверждаю, что электролиз с постоянным током — замечательное и уникальное явление. Достаточно констатации самого факта: электролиз с переменным током существует, в чем можно убедиться, поставив несколько простых экспериментов.
Далее описаны опыты по электролизу с переменным током частотой в 50 Гц, напряжением 10-25 и 220 В.
__________________________________________________ 1 ОСТ-107_460092_001-96. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Типовые технологические процессы. [ссылка]
2 ДСП — для служебного пользования (т.е. ограниченного пользования).
3 Самодельный кипятильник из двух лезвий [ссылка]
Урок №7. Сущность процесса электролитической диссоциации
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ
Растворы всех веществ можно разделить на две группы: проводят электрический ток или проводниками не являются.
С особенностями растворения веществ можно познакомиться экспериментально, исследуя электропроводность растворов этих веществ с помощью прибора, изображённого на рисунке 1.
Рис. 1. Прибор для испытания растворов на электрическую проводимость
Рис. 2 . Направленное движение ионов в водных растворах и расплавах электролитов
1. Электролиты при растворении в воде или расплавлении распадаются (диссоциируют) на ионы – положительно (катионы) и отрицательно (анионы) заряженные частицы.
Поэтому в уравнениях электролитической диссоциации вместо знака равенства ставят знак обратимости. Например, уравнение диссоциации молекулы электролита КA на катион К + и анион А — в общем виде записывается так:
КА ↔ K + + A —
Процесс растворения электролитов в воде
В целом молекула воды не заряжена. Но внутри молекулы Н 2 О атомы водорода и кислорода располагаются так, что положительные и отрицательные заряды находятся в противоположных концах молекулы (рис. 3). Поэтому молекула воды представляет собой диполь.
Теория электролитической диссоциации
Что такое электролитная диссоциация? В следствие чего она образуется и какие факторы влияют на ее степень? Как научиться составлять уравнения диссоциации?
Кто открыл способность некоторых растворов проводить электрический ток и почему великий русский химик Д.И.Менделеев не получил Нобелевской премии?
Ответы на все эти вопросы вы узнаете из этой статьи.
История вопроса
Изучение растворов с давних времен занимало умы исследователей. В начале XIX века М. Фарадей открыл способность некоторых растворов проводить электрический ток. Геймгольц, немецкий физик, предположил, что электролиты в растворе полностью распадаются на ионы, то есть существует электролитическая диссоциация. Однако увеличение электропроводности с уменьшением концентрации раствора объяснить не смог.
Ученые заметили, что растворы замерзают при более низкой температуре, чем чистые растворители. Именно этим свойством растворов и в наше время пользуются дворники, щедро посыпая солью обледеневшие тротуары. Однако, температура замерзания электролитов не соответствовала расчетным данным.
Научным несостыковкам требовалось найти объяснение. И молодой, 29-летний шведский ученый С. Аррениус, в 1887 г. исследуя проведение электрического тока в растворах различных веществ, выдвинул теорию, которая могла объяснить эти факты.
Основные положения теории электролитической диссоциации
Степень диссоциации
В ходе научных исследований ученые определили, что в растворе диссоциирует некоторая часть молекул растворителя. Для количественной характеристики силы электролита был введен показатель степени диссоциации, который обозначается α и рассчитывается по формуле
Где ν — количество вещества, распавшееся на ионы,
ν0 — общее количество вещества.
Степень диссоциации также можно выразить в процентах. Как это сделать, можно узнать в § 11 учебника «Химия. 9 класс» под редакцией В.В. Еремина.
В зависимости от степени диссоциации вещества делят на сильные и слабые электролиты.
Сильные электролиты представляют собой вещества, которые в разбавленных растворах практически полностью распадаются на ионы. Степень диссоциации более 0.5, или 50%.
Для слабых электролитов значение степени диссоциации α меньше 0.1, или 10%.
Вещества с промежуточными значениями от 10 до 50% иногда называют средними электролитами.
Уравнение диссоциации
Уравнение электролитической диссоциации используют для записи процессов, происходящих в растворе.
Диссоциация сильного электролита протекает практически необратимо, что показывает стрелка →.
Диссоциация слабого электролита — обратимый процесс, протекает не полностью и не до конца, что обозначает стрелка ⇄
Умение составлять уравнения диссоциации будет отличным подспорьем при разборе темы «§ 13. Реакции ионного обмена и условия их протекания» в учебнике «Химия. 9 класс» под редакцией В.В. Еремина и для решения ионных уравнений.
Противостояние титанов
Теория электролитической диссоциации Аррениуса вызвала жаркие споры среди ученых.
Химический мир разделился на два лагеря. Сторонники «физической» теории Аррениуса считали, что распад на ионы происходит без какого-либо воздействия сил внешней среды и раствор представляет собой механическую взвесь ионов и молекул воды.
Но эта теория не могла объяснить тепловые эффекты при растворении. Например, нагревание колбы при разведении в воде серной кислоты или покрытие сосуда инеем при растворении в воде аммиачной селитры или азотнокислого аммония.
Сторонники «химической», или гидратной, теории, автором которой был Д.И. Менделеев, считали, что в растворе происходит взаимодействие растворенного вещества и растворителя.
Много копий было сломано в этой борьбе. Проявились худшие человеческие качества. Так, Аррениус, пользуясь служебным положением (в 1905 году он был назначен директором физико-химического Нобелевского института в Стокгольме), приложил массу усилий, чтобы, несмотря на трехкратную номинацию на получение Нобелевской премии в 1905, 1906 и 1907 годах, Д.И. Менделеев так ее и не получил.
Но истина, как всегда, оказалась посередине: в ходе дальнейших экспериментов ученые выяснили, что растворитель и растворенное вещество, взаимодействуя между собой, дают необходимую энергию для разрушения кристаллической решетки электролитов. В споре великих умов родилась новая протолитическая, или протонная, теория кислот и оснований.
Диссоциация и электролиз. Окислительно-восстановительная реакция
Диссоциация
Процесс отделения ионов от их кристаллической решетки называется диссоциацией.
Если в воду добавить крупинки хлорида натрия, вода станет мутной только на короткое время. Когда вы прекращаете перемешивание, похоже, что хлорид натрия исчезает, и даже через очень долгий период времени вы не можете увидеть никаких посторонних включений на дне сосуда. Хлорид натрия — это ионное соединение, состоящее из положительно заряженных катионов натрия и отрицательно заряженных анионов хлорида с химической формулой NaCl.
Молекулы воды состоят из атома кислорода, который образует две ковалентные связи с двумя атомами водорода. Две связи не находятся на прямой линии, а образуют угол примерно 104 градуса. Атомы водорода находятся на концах, а атом кислорода — на углу. Кроме того, кислород имеет более высокую электроотрицательность, чем водород, что означает, что электроны связывающих электронных пар неравномерно распределены между двумя атомами связи.
По этой причине частично отрицательный заряд образуется на стороне атома кислорода, а частично положительный заряд образуется на концах с атомами водорода.
Электролиты
Как только электрическое поле сформировано, на заряженные ионы действуют силы. Положительно заряженные катионы притягиваются к отрицательно заряженной пластине, отрицательно заряженные анионы — к положительно заряженной пластине. В результате этого движения ионы неравномерно распределяются по сосуду, что также приводит к образованию электрического поля, направленного против внешнего поля источника напряжения. В отличие от электронов, которые могут попасть в пластину, движение ионов прекращается, когда они касаются пластин. Как только электрическое поле, создаваемое ионами, уравновешивает поле внешнего источника напряжения, силы больше не действуют на ионы, и их движение прекращается.
Пластины из электропроводящего материала называются электродами. Электрод, подключенный к отрицательному полюсу источника напряжения, называется катодом, электрод, подключенный к положительному полюсу, называется анодом.
В электролите положительно заряженные ионы (катионы) притягиваются к отрицательно заряженному катоду, а отрицательно заряженные ионы (анионы) — к положительно заряженному аноду.
Окислительно-восстановительная реакция
Как только ион входит в контакт с одним из электродов, запускаются химические реакции. На положительно заряженном электроде электроны покидают электролит, как только к нему прикасается анион. Анион высвобождает один или несколько электронов, что приводит к увеличению его степени окисления. Таким образом окисляется анион. Катионы захватывают электроны на отрицательно заряженном электроде (катоде), что приводит к снижению их степени окисления. Таким образом, катионы восстанавливаются.
Электроны, переносимые анионами на анод, покидают там электролит. Затем они «перекачиваются» от источника напряжения на катод. Там электроны снова входят в электролит, передаваясь катионам. Это замыкает электрическую цепь, и через электролит течет постоянный ток. Этот процесс называется электролизом.
Электропроводность электролита зависит от количества и подвижности ионов, а также от их заряда. Во время прохождения электрического тока через электролит ионы превращаются в незаряженные атомы за счет поглощения или высвобождения электронов и, таким образом, выводятся из электролита. Это снижает количество ионов и, следовательно, проводимость электролита.