Çözeltilerin elektrolizi göz önüne alındığında, elektrolit iyonlarına ek olarak, herhangi bir sulu çözeltide hala suyun - H + ve OH - ayrışmasının ürünleri olan iyonların da bulunduğu gerçeği gözden kaçırılmamalıdır. alan, hidrojen iyonları katoda ve hidroksil anoda hareket eder. Böylece hem elektrolit katyonları hem de hidrojen katyonları katotta boşaltılabilir. Benzer şekilde anotta hem elektrolit anyonları hem de hidroksil iyonları boşaltılabilir. Ek olarak, su molekülleri ayrıca elektrokimyasal oksidasyona veya indirgemeye maruz kalabilir.
Elektroliz sırasında elektrotlarda ne tür elektrokimyasal işlemlerin gerçekleşeceği, öncelikle ilgili elektrokimyasal sistemlerin elektrot potansiyellerinin oranına bağlı olacaktır. Bu, elektrokimyasal sistemlerin oksitlenmiş formlarının katotta indirgeneceği anlamına gelir. birkaç kişiden olası süreçler uygulaması ile ilişkili olan bir tanesine devam edecek minimum maliyet enerji. Bu, en yüksek elektrot potansiyeline sahip elektrokimyasal sistemlerin oksitlenmiş biçimlerinin katotta indirgeneceği, en düşük elektrot potansiyeline sahip sistemlerin indirgenmiş biçimlerinin ise anotta oksitleneceği anlamına gelir. Elektrot malzemesi, bazı elektrokimyasal süreçlerin seyri üzerinde engelleyici bir etkiye sahiptir; bu tür durumlar aşağıda tartışılmaktadır.
Sulu çözeltilerin elektrolizi sırasında meydana gelen katodik işlemler göz önüne alındığında, hidrojen iyonu indirgeme işleminin potansiyelinin değerini hesaba katmak gerekir. Bu potansiyel, hidrojen iyonlarının konsantrasyonuna bağlıdır ve nötr çözeltiler durumunda (рН=7) değerine sahiptir.
φ \u003d -0,059 * 7 \u003d -0,41 V. Bundan, elektrolit, elektrot potansiyeli -0,41 V'den çok daha pozitif olan bir metal tarafından oluşturulursa, metalin nötr çözeltiden serbest bırakılacağı açıktır. katot. Bu tür metaller, hidrojene yakın (yaklaşık olarak kalaydan başlayarak) ve ondan sonra bir dizi voltajdadır. Aksine, metali -0,41 V'den çok daha negatif bir potansiyele sahip olan elektrolitler durumunda, metal indirgenmeyecek, ancak hidrojen serbest bırakılacaktır. Bu tür metaller, yaklaşık olarak titanyuma kadar bir dizi gerilimin başlangıcındaki metalleri içerir. Son olarak, metalin potansiyeli -0,41 V'a yakınsa (Zn, Cr, Fe, Ni serisinin orta kısmındaki metaller), o zaman çözelti konsantrasyonuna ve elektroliz koşullarına bağlı olarak, hem metal indirgemesi hem de hidrojen oluşumu mümkün; genellikle metal ve hidrojenin ortak bir salınımı vardır.
Hidrojenin asidik çözeltilerden elektrokimyasal evrimi, hidrojen iyonlarının deşarjının bir sonucu olarak meydana gelir. Nötr veya alkali ortam durumunda, suyun elektrokimyasal indirgenmesinin sonucudur:
2H20 + 2e - \u003d H2 + 2OH -
Bu nedenle, sulu çözeltilerin elektrolizi sırasında katodik işlemin doğası, öncelikle ilgili metalin voltaj dizisindeki konumu ile belirlenir. Bazı durumlarda büyük önemçözelti pH'ına, metal iyon konsantrasyonuna ve diğer elektroliz koşullarına sahiptir.
Anot işlemleri düşünüldüğünde, anot malzemesinin elektroliz sırasında oksitlenebileceği akılda tutulmalıdır. Bu bağlamda, inert bir anot ile elektroliz ve aktif bir anot ile elektroliz ayırt edilir. Malzemesi elektroliz sırasında oksidasyona uğramayan bir anot, inert olarak adlandırılır. Aktif anot, malzemesi elektroliz sırasında oksitlenebilen anottur. İnert anotlar için malzemeler olarak grafit, kömür ve platin daha sık kullanılır.
Alkalilerin, oksijen içeren asitlerin ve bunların tuzlarının yanı sıra hidroflorik asit ve florürlerin sulu çözeltilerinin elektrolizi sırasında inert bir anotta, oksijenin salınmasıyla suyun elektrokimyasal oksidasyonu meydana gelir. Çözeltinin pH'ına bağlı olarak bu işlem farklı şekilde ilerler ve farklı denklemlerle yazılabilir. Alkali bir ortamda, denklem şu şekildedir:
4OH - \u003d O2 + 2H20 + 4e -
ve asidik veya nötr:
2H 2 O \u003d O 2 + 4H + + 4e -
İncelenen durumlarda, suyun elektrokimyasal oksidasyonu, enerji açısından en uygun prosestir. Oksijen içeren anyonlar ya oksitlenemezler ya da oksidasyonları çok yüksek potansiyellerde gerçekleşir. Örneğin, SO 4 2- iyonunun standart oksidasyon potansiyeli
2SO 4 2- \u003d S 2 O 8 2- + 2e -
standart su oksidasyon potansiyelinden (1.228 V) çok daha yüksek olan 2.010 V'dir. F iyonunun standart oksidasyon potansiyeli daha da büyüktür (2.87 V).
Anoksik asitlerin ve tuzlarının (HF ve florürler hariç) sulu çözeltilerinin elektrolizi sırasında, anyonlar anotta boşaltılır. Özellikle, HI, HBr, HCl ve bunların tuzlarının çözeltilerinin elektrolizi sırasında, anotta karşılık gelen halojen salınır. HCl ve tuzlarının elektrolizi sırasında klor salınımının, sistemlerin karşılıklı konumuyla çeliştiğine dikkat edin.
2Cl - \u003d 2Cl + 2e - (φ \u003d 1.359 V)
2H 2 O \u003d O 2 + 4H + + 4e - (φ \u003d 1.228 V)
bir dizi standart elektrot potansiyelinde. Bu anormallik, bu iki elektrot işleminin ikincisinin önemli bir aşırı gerilimi ile ilişkilidir - anot malzemesinin oksijen oluşumu süreci üzerinde engelleyici bir etkisi vardır.
Aktif bir anot durumunda, rekabet eden oksidatif süreçlerin sayısı üçe çıkar: oksijen salınımı ile suyun elektrokimyasal oksidasyonu, anyon deşarjı (yani oksidasyonu) ve anot metalinin elektrokimyasal oksidasyonu (anotun anodik çözünmesi olarak adlandırılır). metal). Bu olası süreçlerden enerjik olarak en uygun olanı ilerleyecektir. Anot metali, diğer her iki elektrokimyasal sistemden daha önce bir dizi standart potansiyelde bulunursa, metalin anodik çözünmesi gözlemlenecektir. Aksi takdirde, oksijen çıkışı veya anyon deşarjı olacaktır.
Sulu çözeltilerin birkaç tipik elektroliz vakasını ele alalım.
İnert bir anot ile bir CuCl2 çözeltisinin elektrolizi. Voltaj serisinde bakır hidrojenden sonra yer alır; bu nedenle katotta Cu 2+ iyonlarının boşalması ve metalik bakırın salınması olacaktır. Anotta klorür iyonları boşaltılacaktır.
Bir klorür telli (II) çözeltisinin elektroliz şeması:
Katot ← Cu 2+ 2Cl - → Anot
Cu 2+ + 2e - \u003d Cu 2Cl - \u003d 2Cl + 2e -
İnert bir anot ile K2S04 çözeltisinin elektrolizi. Voltaj serisindeki potasyum hidrojenden çok daha erken olduğu için katotta hidrojen salınacak ve OH - birikecektir. Anotta oksijen salınacak ve H+ iyonları birikecektir. Aynı zamanda katot boşluğuna K+ iyonları, anot boşluğuna da SO 4 2- iyonları gelecektir. Böylece, çözüm tüm parçalarında elektriksel olarak nötr kalacaktır. Bununla birlikte, katot boşluğunda alkali birikecek ve anodik boşlukta asit birikecektir.
Potasyum sülfat çözeltisinin elektroliz şeması:
Katot ← 4K + 2SO 4 2- → Anot
4H 2 O + 4e - \u003d 4OH - + 4H 2H 2 O \u003d 4H + + 2O + 4e -
KOH 4H \u003d 2H 2 2O \u003d O 2 H 2 SO 4
NiSO 4 çözeltisinin nikel anot ile elektrolizi. Nikelin standart potansiyeli (-0.250 V), -0,41 V'tan biraz daha büyüktür; bu nedenle, katot üzerinde nötr bir NiSO 4 çözeltisinin elektrolizi sırasında, Ni 2+ iyonları esas olarak boşaltılır ve metal serbest bırakılır. Anotta, ters işlem meydana gelir - metalin oksidasyonu, çünkü nikel potansiyeli suyun oksidasyon potansiyelinden çok daha az ve hatta daha fazla, SO4 2- iyonunun oksidasyon potansiyeli. Böylece, bu durumda elektroliz, anot metalinin çözünmesine ve katotta ayrılmasına indirgenir.
Nikel sülfat çözeltisi elektroliz şeması:
Katot ← Ni 2+ SO 4 2- → Anot
Ni 2+ + 2e - \u003d Ni Ni \u003d Ni 2+ + 2e -
Bu işlem, nikelin elektrokimyasal olarak saflaştırılması için kullanılır.
Faraday yasaları
1. Faraday yasası.
Elektrolit çözeltisinden bir elektrik akımı geçtiğinde elektrotta salınan maddenin kütlesi, elektrik miktarı ile doğru orantılıdır.
∆m, reaksiyona giren madde miktarıdır; Q, elektrik miktarıdır; k e - Bir birim elektrik geçişi sırasında maddenin ne kadar reaksiyona girdiğini gösteren orantı katsayısı. k değerine elektrokimyasal eşdeğer denir.
k=M/(N A z│e│)
burada z iyon değeridir; M, elektrotta salınan maddenin molar kütlesidir; NA, Avogadro sabitidir. │e│= 1,6 10 -19 Cl.
2. Faraday yasası.
Faraday'ın ikinci yasasına göre, belirli bir miktarda elektrik geçirildiğinde, reaksiyona giren maddelerin kütlelerinin oranı, kimyasal eşdeğerlerinin oranına eşittir:
∆m 1 /A 1 =∆m 2 /A 2 =∆m 3 /A 3 = sabit
Bir elementin kimyasal eşdeğeri, kimyasal bileşiklerde bir atom kütlesi hidrojen veya atom kütlesinin yarısı olan oksijeni ekleyen veya değiştiren elementin kütlesinin kısmının C 12 kütlesinin 1/12'sine oranına eşittir. atom. "Kimyasal eşdeğer" kavramı, bileşikler için de geçerlidir. Bu nedenle, bir asidin kimyasal eşdeğeri, bazikliğe (hidrojen iyonlarının sayısı) bölünen molar kütlesine sayısal olarak eşittir, bir bazın kimyasal eşdeğeri, asitliğe bölünen molar kütlesidir (inorganik bir baz için, hidroksil sayısına göre). grupları), bir tuzun kimyasal eşdeğeri, katyon veya anyon yüklerinin toplamına bölünen molar kütlesidir.
elektroliz nedir? Bu sorunun cevabını daha basit anlamak için herhangi bir doğru akım kaynağı düşünelim. Her DC kaynağı için her zaman bir pozitif ve bir negatif kutup bulabilirsiniz:
Elektrotlar diyeceğimiz, kimyasal olarak dirençli, elektriksel olarak iletken iki plakayı ona bağlayalım. Pozitif kutba bağlı plakaya anot, negatif kutba ise katot denir:
Sodyum klorür bir elektrolittir; eridiğinde sodyum katyonlarına ve klorür iyonlarına ayrışır:
NaCl \u003d Na + + Cl -
Negatif yüklü klor anyonlarının pozitif yüklü elektrota - anoda gideceği ve pozitif yüklü Na + katyonlarının negatif yüklü elektrota - katoda gideceği açıktır. Bunun sonucunda hem Na + katyonları hem de Cl - anyonları boşalır, yani nötr atomlar haline gelirler. Boşalma, Na + iyonları durumunda elektronların alınması ve Cl - iyonları durumunda elektronların kaybı yoluyla gerçekleşir. Yani, süreç katotta ilerler:
Na + + 1e - = Na 0 ,
Ve anotta:
Cl − − 1e − = Cl
Her klor atomunun eşleşmemiş bir elektronu olduğundan, bunların tek varlığı elverişsizdir ve klor atomları iki klor atomlu bir molekül halinde birleşir:
Сl∙ + ∙Cl \u003d Cl 2
Böylece toplamda anotta meydana gelen süreç daha doğru bir şekilde şu şekilde yazılır:
2Cl - - 2e - = Cl 2
Yani, elimizde:
Katot: Na + + 1e − = Na 0
Anot: 2Cl - - 2e - = Cl 2
Elektronik dengeyi özetleyelim:
Na + + 1e − = Na 0 |∙2
2Cl − − 2e − = Cl 2 |∙1<
Her iki denklemin sol ve sağ taraflarını ekleyin yarı reaksiyonlar, şunu elde ederiz:
2Na + + 2e − + 2Cl − − 2e − = 2Na 0 + Cl 2
Cebirde olduğu gibi iki elektronu azaltırız, iyonik elektroliz denklemini elde ederiz:
2NaCl (l.) => 2Na + Cl2
Teorik bir bakış açısına göre, yukarıda ele alınan durum en basitidir, çünkü sodyum klorür eriyiğinde, pozitif yüklü iyonlar arasında sadece sodyum iyonları ve negatif olanlar arasında sadece klor anyonları vardır.
Başka bir deyişle, ne Na + katyonlarının ne de Cl - anyonlarının katot ve anot için "rakipleri" yoktu.
Ve örneğin, bir sodyum klorür eriyiği yerine sulu çözeltisinden bir akım geçerse ne olur? Bu durumda sodyum klorürün ayrışması da gözlenir, ancak sulu bir çözeltide metalik sodyum oluşumu imkansız hale gelir. Ne de olsa alkali metallerin bir temsilcisi olan sodyumun suyla çok şiddetli reaksiyona giren son derece aktif bir metal olduğunu biliyoruz. Sodyum bu koşullar altında indirgenemezse, katotta ne indirgenir?
Su molekülünün yapısını hatırlayalım. Bu bir dipoldür, yani bir negatif ve bir pozitif kutbu vardır:
Bu özelliğinden dolayı hem katot yüzeyi hem de anot yüzeyi "etrafına yapışabilir":
Aşağıdaki işlemler gerçekleşebilir:
2H20 + 2e - \u003d 2OH - + H2
2H 2 O - 4e - \u003d O 2 + 4H +
Böylece, herhangi bir elektrolitin bir çözeltisini düşünürsek, elektrolitin ayrışması sırasında oluşan katyon ve anyonların, katotta indirgeme ve anotta oksidasyon için su molekülleri ile rekabet ettiğini göreceğiz.
Peki katotta ve anotta hangi işlemler gerçekleşecek? Elektrolitin ayrışması sırasında oluşan iyonların boşalması mı yoksa su moleküllerinin oksidasyonu/redüksiyonu mu? Ya da belki de tüm bu süreçler aynı anda mı gerçekleşecek?
Elektrolitin türüne bağlı olarak, sulu çözeltisinin elektrolizi sırasında çeşitli durumlar mümkündür. Örneğin, alkali, toprak alkali metaller, alüminyum ve magnezyum katyonları, su ortamında indirgenemezler, çünkü bunların indirgenmesi sırasıyla alkali, toprak alkali metaller, alüminyum veya magnezyum ile sonuçlanmış olmalıdır, yani. su ile tepkimeye giren metaller.
Bu durumda sadece su moleküllerinin katotta indirgenmesi mümkündür.
Herhangi bir elektrolit çözeltisinin elektrolizi sırasında katotta hangi işlemin gerçekleşeceğini aşağıdaki ilkeler izlenerek hatırlamak mümkündür:
1) Elektrolit, normal koşullar altında serbest halde su ile reaksiyona giren bir metal katyondan oluşuyorsa, katot üzerinde aşağıdaki işlem gerçekleşir:
2H20 + 2e - \u003d 2OH - + H2
Bu, Al aktivite serisinin başlangıcındaki metaller için geçerlidir.
2) Elektrolit, serbest formunda suyla reaksiyona girmeyen, ancak oksitleyici olmayan asitlerle reaksiyona giren bir metal katyondan oluşuyorsa, aynı anda hem metal katyonlarının indirgenmesi hem de su molekülleri olmak üzere iki işlem gerçekleşir:
Ben n+ + ne = Ben 0
Bu metaller, aktivite serilerinde Al ve H arasındakileri içerir.
3) Elektrolit, hidrojen katyonlarından (asit) veya oksitleyici olmayan asitlerle reaksiyona girmeyen metal katyonlardan oluşuyorsa, yalnızca elektrolit katyonları geri yüklenir:
2H + + 2e - \u003d H 2 - asit durumunda
Me n + + ne = Me 0 - tuz durumunda
Anotta ise durum şu şekildedir:
1) Elektrolit, oksijensiz asit kalıntıları (F - hariç) anyonları içeriyorsa, oksidasyon işlemi anotta gerçekleşir, su molekülleri oksitlenmez. Örneğin:
2Cl - - 2e \u003d Cl 2
S 2- − 2e = S o
Florür iyonları anotta oksitlenmez çünkü flor sulu bir çözeltide oluşamaz (su ile reaksiyona girer)
2) Elektrolit hidroksit iyonları (alkaliler) içeriyorsa, su molekülleri yerine oksitlenirler:
4OH - - 4e - \u003d 2H20 + O 2
3) Elektrolit, anot üzerinde oksijen içeren bir asit kalıntısı (organik asit kalıntıları hariç) veya bir florür iyonu (F -) içeriyorsa, su moleküllerini oksitleme işlemi gerçekleşir:
2H 2 O - 4e - \u003d O 2 + 4H +
4) Anotta bir karboksilik asidin asidik kalıntısı olması durumunda, aşağıdaki işlem gerçekleşir:
2RCOO - - 2e - \u003d R-R + 2CO 2
Çeşitli durumlar için elektroliz denklemleri yazma alıştırması yapalım:
Örnek 1
Bir çinko klorür eriyiğinin elektrolizi sırasında katot ve anotta meydana gelen işlemler için denklemleri ve ayrıca genel elektroliz denklemini yazın.
Çözüm
Çinko klorür eritildiğinde ayrışır:
ZnCl 2 \u003d Zn 2+ + 2Cl -
Ayrıca, elektrolize maruz kalanın sulu çözelti değil, çinko klorür eriyiği olduğuna dikkat edilmelidir. Başka bir deyişle, seçenekler olmadan, sadece katotta çinko katyonlarının indirgenmesi ve anotta klorür iyonlarının oksidasyonu meydana gelebilir. su molekülü yok
Katot: Zn 2+ + 2e − = Zn 0 |∙1
Anot: 2Cl − − 2e − = Cl 2 |∙1
ZnCl 2 \u003d Zn + Cl 2
Örnek #2
Sulu bir çinko klorür çözeltisinin elektrolizi sırasında katot ve anotta meydana gelen işlemler için denklemleri ve ayrıca genel elektroliz denklemini yazın.
Bu durumda, sulu bir çözelti elektrolize tabi tutulduğundan, teorik olarak su molekülleri elektrolizde yer alabilir. Çinko, Al ve H arasındaki aktivite serisinde yer aldığından, bu, katotta hem çinko katyonlarının hem de su moleküllerinin indirgenmesinin gerçekleşeceği anlamına gelir.
2H20 + 2e - \u003d 2OH - + H2
Zn 2+ + 2e − = Zn 0
Klorür iyonu, oksijensiz asit HCl'nin asidik tortusudur, bu nedenle, anotta oksidasyon rekabetinde, klorür iyonları su moleküllerini "kazanır":
2Cl - - 2e - = Cl 2
Bu özel durumda, katotta salınan hidrojen ve çinko arasındaki oran bilinmediğinden, genel elektroliz denklemini yazmak imkansızdır.
Örnek 3
Sulu bir bakır nitrat çözeltisinin elektrolizi sırasında katot ve anotta meydana gelen işlemler için denklemleri ve ayrıca genel elektroliz denklemini yazın.
Çözeltideki bakır nitrat ayrışmış durumda:
Cu(NO 3) 2 \u003d Cu 2+ + 2NO 3 -
Bakır, hidrojenin sağındaki aktivite serisindedir, yani katotta bakır katyonları indirgenecektir:
Cu 2+ + 2e − = Cu 0
Nitrat iyonu NO 3 - oksijen içeren bir asit kalıntısıdır; bu, anottaki oksidasyonda nitrat iyonlarının su molekülleri ile rekabet halinde "kaybolduğu" anlamına gelir:
2H 2 O - 4e - \u003d O 2 + 4H +
Böylece:
Katot: Cu 2+ + 2e − = Cu 0 |∙2
2Cu 2+ + 2H 2 O = 2Cu 0 + O 2 + 4H +
Toplama sonucu elde edilen denklem elektrolizin iyonik denklemidir. Tam moleküler elektroliz denklemini elde etmek için, ortaya çıkan iyonik denklemin sol ve sağ taraflarına karşı iyonlar olarak 4 nitrat iyonu eklemeniz gerekir. Sonra alacağız:
2Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O = 2Cu 0 + O 2 + 4HNO 3
Örnek 4
Sulu bir potasyum asetat çözeltisinin elektrolizi sırasında katot ve anotta meydana gelen işlemler için denklemleri ve ayrıca genel elektroliz denklemini yazın.
Çözüm:
Potasyum asetat sulu bir çözelti içinde potasyum katyonlarına ve asetat iyonlarına ayrışır:
CH 3 COOK \u003d CH 3 COO − + K +
Potasyum bir alkali metaldir, yani. en başta gerilimlerin elektrokimyasal serisindedir. Bu, katyonlarının katotta boşaltılamayacağı anlamına gelir. Bunun yerine, su molekülleri restore edilecek:
2H20 + 2e - \u003d 2OH - + H2
Yukarıda belirtildiği gibi, asit kalıntıları karboksilik asitler Anotta su molekülleri ile oksidasyon yarışmasında "kazan":
2CH 3 COO - - 2e - \u003d CH 3 -CH 3 + 2CO 2
Böylece, elektronik dengeyi toplayarak ve katot ve anottaki iki yarı reaksiyon denklemini toplayarak şunları elde ederiz:
Katot: 2H 2 O + 2e − = 2OH − + H 2 |∙1
Anot: 2CH 3 COO - - 2e - \u003d CH 3 -CH 3 + 2CO 2 | ∙ 1
2H20 + 2CH3 COO - \u003d 2OH - + H2 + CH3 -CH3 + 2CO2
Elektroliz denkleminin tamamını iyonik biçimde elde ettik. Denklemin sol ve sağ taraflarına iki potasyum iyonu ekleyerek ve bunları karşı iyonlarla ekleyerek, moleküler formda tam elektroliz denklemini elde ederiz:
2H 2 O + 2CH 3 COOK \u003d 2KOH + H 2 + CH 3 -CH 3 + 2CO 2
Örnek #5
Sulu bir sülfürik asit çözeltisinin elektrolizi sırasında katot ve anotta meydana gelen işlemler için denklemleri ve ayrıca genel elektroliz denklemini yazın.
Sülfürik asit hidrojen katyonlarına ve sülfat iyonlarına ayrışır:
H 2 SO 4 \u003d 2H + + SO 4 2-
Hidrojen katyonları H + katotta indirgenecek ve sülfat iyonları oksijen içeren asit kalıntıları olduğundan su molekülleri anotta oksitlenecektir:
Katot: 2Н + + 2e − = H 2 |∙2
Anot: 2H 2 O - 4e - = O 2 + 4H + |∙1
4H + + 2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2 + 4H +
Denklemin sol, sağ ve sol taraflarındaki hidrojen iyonlarını azaltarak, sulu bir sülfürik asit çözeltisinin elektrolizi için denklemi elde ederiz:
2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2
Görülebileceği gibi, sulu bir sülfürik asit çözeltisinin elektrolizi, suyun elektrolizine indirgenir.
Örnek #6
Sulu bir sodyum hidroksit çözeltisinin elektrolizi sırasında katot ve anotta meydana gelen işlemler için denklemleri ve ayrıca genel elektroliz denklemini yazın.
Sodyum hidroksitin ayrışması:
NaOH = Na + + OH -
Sodyum oldukça aktif bir metal olduğundan ve anotta sadece hidroksit iyonları olduğundan katotta sadece su molekülleri indirgenecektir:
Katot: 2H 2 O + 2e − = 2OH − + H 2 |∙2
Anot: 4OH − − 4e − = O 2 + 2H 2 O |∙1
4H 2 O + 4OH - \u003d 4OH - + 2H 2 + O 2 + 2H 2 O
Soldaki ve sağdaki iki su molekülünü ve 4 hidroksit iyonunu indirgeyelim ve sülfürik asit durumunda olduğu gibi, sulu bir sodyum hidroksit çözeltisinin elektrolizinin suyun elektrolizine indirgendiği sonucuna varalım.
Sulu çözeltilerin elektrolizi göz önüne alındığında, elektrolit iyonlarına ek olarak, herhangi bir sulu çözeltide, suyun H + ve OH - ayrışmasının ürünleri olan iyonların da olduğu unutulmamalıdır.
Bir elektrik alanında, hidrojen iyonları katoda doğru hareket eder ve OH iyonları anoda doğru hareket eder. Böylece hem elektrolit katyonları hem de hidrojen katyonları katotta boşaltılabilir. Benzer şekilde anotta hem elektrolit anyonları hem de hidroksit iyonları boşaltılabilir. Ek olarak, su molekülleri ayrıca elektrokimyasal oksidasyona veya indirgemeye maruz kalabilir.
Elektroliz sırasında elektrotlarda hangi elektrokimyasal işlemlerin gerçekleşeceği, öncelikle ilgili elektrokimyasal sistemlerin elektrot potansiyellerinin nispi değerlerine bağlı olacaktır. Birkaç olası işlemden minimum enerji tüketimine sahip olanı ilerleyecektir. Bu, en yüksek elektrot potansiyeline sahip elektrokimyasal sistemlerin oksitlenmiş biçimlerinin katotta indirgeneceği, en düşük elektrot potansiyeline sahip sistemlerin indirgenmiş biçimlerinin ise anotta oksitleneceği anlamına gelir. AT Genel dava anotta, belirli koşullar altında potansiyelleri en düşük olan atomlar, moleküller ve iyonlar daha kolay oksitlenir; katotta, potansiyelleri en yüksek olan iyonlar, moleküller, atomlar daha kolay indirgenir. Sulu tuz çözeltilerinin elektrolizi sırasında meydana gelen katodik süreçleri ele alalım. Burada, hidrojen iyonlarının konsantrasyonuna bağlı olan hidrojen iyonlarının indirgenme sürecinin elektrot potansiyelinin büyüklüğünü hesaba katmak gerekir. Hidrojen elektrotu için elektrot potansiyelinin genel denklemini biliyoruz (bölüm 2.3).
Nötr çözeltiler (pH=7) durumunda, hidrojen iyonu indirgeme işleminin elektrot potansiyelinin değeri,
|
φ = –0,059 . 7 = -0.41V. |
1) elektrot potansiyeli -0,41 V'den çok daha pozitif olan metal katyonları içeren tuz çözeltilerinin elektrolizi sırasında, katotta böyle bir elektrolitin nötr bir çözeltisinden metal indirgenecektir. Bu tür metaller, hidrojene yakın bir dizi voltajdadır (yaklaşık olarak kalaydan başlayarak ve ondan sonra);
2) elektrot potansiyeli -0,41 V'den çok daha negatif olan metal katyonları içeren tuz çözeltilerinin elektrolizi sırasında, metal katotta indirgenmeyecek, ancak hidrojen serbest bırakılacaktır. Bu tür metaller arasında, yaklaşık olarak titanyuma kadar alkali, toprak alkali, magnezyum, alüminyum;
3) elektrot potansiyeli -0,41 V'a yakın olan metal katyonları içeren tuz çözeltilerinin elektrolizi sırasında (serinin orta kısmının metalleri - Zn, Cr, Fe, Cd, Ni), daha sonra konsantrasyona bağlı olarak tuz çözeltisinin ve elektroliz koşullarının (akım yoğunluğu, sıcaklık, çözelti bileşimi), hem metal indirgemesi hem de hidrojen oluşumu mümkündür; bazen metal ve hidrojenin ortak bir salınımı vardır.
Asidik çözeltilerden hidrojenin elektrokimyasal salınımı, hidrojen iyonlarının boşalması nedeniyle oluşur:
2H + 2ē → 2H 0
2H 0 = H 2 .
Nötr veya alkali ortam durumunda, suyun elektrokimyasal indirgenmesinin bir sonucu olarak hidrojen oluşumu meydana gelir:
HOH + ē → H 0 + OH –
H 0 + H 0 = H 2 ,
|
sonra 2HON + 2ē → H 2 + 2OH – |
Bu nedenle, sulu çözeltilerin elektrolizi sırasında katodik işlemin doğası, esas olarak, metallerin standart elektrot potansiyelleri serisinde karşılık gelen metalin konumu ile belirlenir.
Çeşitli metallerin katyonlarını içeren sulu bir çözelti elektrolize tabi tutulursa, katotta serbest bırakılmaları, kural olarak, metalin elektrot potansiyelinin cebirsel değerini azaltacak şekilde ilerleyecektir. Örneğin, elektrolizörün terminallerinde yeterli voltaj olan Ag +, Cu 2+ ve Zn 2+ katyonlarının bir karışımından, gümüş katyonlar (φ 0 \u003d +0.8 V), ardından bakır (φ 0 \u003d +0.34 V ) ve son olarak çinko (φ 0 \u003d -0.76 V).
Metallerin bir katyon karışımından elektrokimyasal olarak ayrılması mühendislikte ve kantitatif analizde kullanılır. Genel olarak, metal iyonları için deşarj (elektronları kabul etme) yeteneği, bir dizi standart elektrot potansiyelindeki metallerin konumu ile belirlenir. Metal voltaj serisinde ne kadar soldaysa, negatif potansiyeli ne kadar büyük veya pozitif potansiyeli ne kadar azsa, iyonlarının boşalması o kadar zor olur. Bu nedenle, bir dizi voltajdaki metal iyonlarından, üç değerlikli altın iyonları en kolay (en düşük elektrik akımı voltajlarında), ardından gümüş iyonları vb. En zoru (elektrik akımının en yüksek voltajında) potasyum iyonlarının deşarjıdır. Ancak bilindiği gibi bir metalin potansiyelinin değeri, çözeltideki iyonlarının konsantrasyonuna bağlı olarak değişir; aynı şekilde, her metalin iyonlarının deşarj kolaylığı konsantrasyonlarına bağlı olarak değişir: konsantrasyondaki bir artış iyonların deşarjını kolaylaştırır, bir azalma zorlaştırır. Bu nedenle, birkaç metal iyonu içeren bir çözeltinin elektrolizi sırasında, daha aktif bir metalin serbest bırakılması, daha az aktif olanın serbest bırakılmasından daha önce meydana gelebilir (ilk metal iyonunun konsantrasyonu önemliyse ve ikincisi çok düşük).
Sulu tuz çözeltilerinin elektrolizi sırasında meydana gelen anodik süreçleri ele alalım. Anotta meydana gelen reaksiyonların doğası, hem su moleküllerinin varlığına hem de anodun yapıldığı maddeye bağlıdır. Anot malzemesinin elektroliz sırasında oksitlenebileceği akılda tutulmalıdır. Bu bağlamda, inert (çözünmez) bir anot ile elektroliz ile aktif (çözünür) bir anot ile elektroliz arasında bir ayrım yapılır. Çözünmeyen anotlar kömür, grafit, platin, iridyumdan yapılır; çözünür anotlar - bakır, gümüş, çinko, kadmiyum, nikel ve diğer metallerden. Elektroliz sırasında çözünmeyen bir anotta, anyonlar veya su molekülleri oksitlenir. Oksijensiz asitler HI, HBr, HCl, H2S ve bunların tuzlarının (HF ve florürler hariç) sulu çözeltilerinin elektrolizi sırasında, anyonlar anotta boşaltılır ve ilgili halojen serbest bırakılır. HCl ve tuzlarının elektrolizi sırasında klor salınımının, sistemlerin karşılıklı konumuyla çeliştiğine dikkat edin.
2Cl – – 2ē →Cl 2 (φ 0 = +1,36V)
2 H 2 Ö– 4ē →Ö 2 + 4 H + (φ 0 = +1.23V)
bir dizi standart elektrot potansiyelinde. Bu anormallik, bu iki elektrot işleminin ikincisinin önemli bir aşırı gerilimi ile ilişkilidir - anot malzemesinin oksijen oluşumu süreci üzerinde engelleyici bir etkisi vardır.
Anyonlar SO 4 2-, SO 3 2-, NO 3 -, PO 4 3- vb. içeren tuzların sulu çözeltilerinin yanı sıra hidrojen florür ve florürlerin elektrolizi sırasında, suyun elektrokimyasal oksidasyonu meydana gelir. Çözeltinin pH'ına bağlı olarak bu işlem farklı şekilde ilerler ve farklı denklemlerle yazılabilir. Alkali bir ortamda, denklem şu şekildedir:
4OH – – 4ē → 2H 2 O+O 2 , (pH > 7)
ve asidik veya nötr ortamlarda
HOH– 2ē →Ö 0 + 2 H + (pH ≤ 7)
2 Ö 0 = Ö 2 ,
|
sonra 2H 2 О – 4ē → 4Н + + 2O 2 . |
İncelenen durumlarda, suyun elektrokimyasal oksidasyonu, enerji açısından en uygun prosestir. Oksijen içeren anyonların oksidasyonu çok yüksek potansiyellerde gerçekleşir. Örneğin, SO 4 2- iyon - 2ē → S 2 O 8 2-'nin standart oksidasyon potansiyeli 2.01 V'dir ve bu, 1.228 V'luk standart su oksidasyon potansiyelini önemli ölçüde aşar.
2H 2 O - 4ē → O 2 + 4H + (φ 0 = 1.228V).
Standart iyon oksidasyon potansiyeli F - daha da önemlidir
2F – – 2ē →F 2 (φ 0 = 2 ,87 AT).
Genel olarak, sulu tuz çözeltilerinin elektrolizi sırasında, metal ve hidrojen katyonları aynı anda elektrolizörün katoduna yaklaşırken, her biri katottan gelen elektronlar nedeniyle indirgendiğini “iddia eder”. İndirgeme süreci katotta gerçekte nasıl ilerleyecek? Cevap, bir dizi metal stresine dayanarak elde edilebilir. Bu durumda, metalin standart elektrot potansiyelinin cebirsel değeri ne kadar küçük olursa, elektron alıcıları katyonları o kadar zayıf olur ve onları katotta azaltmak o kadar zor olur. Bu bağlamda, elektro-indirgeme ile olan ilişkilerine göre üç grup katyon ayırt edilir.
1. Yüksek elektron çekme aktivitesi ile karakterize edilen katyonlar (Cu 2+, Hg 2+, Ag+, Au 3+, Pt 2+, Pt 4+). Bu katyonların tuzlarının elektrolizi sırasında metal katyonlarının neredeyse tamamen indirgenmesi meydana gelir; akım çıkışı %100 veya buna yakın.
2. Elektron çekme yeteneğinin ortalama değerleri ile karakterize edilen katyonlar (Mn 2+, Zn 2+, Cr 3+, Fe 2+, Ni 2+, Sn 2+, Pb 2+). Katotta elektroliz sırasında, hem metal hem de su moleküllerinin katyonları aynı anda azalır, bu da metalin akım veriminde bir azalmaya yol açar.
3. Düşük elektron çekme yeteneği sergileyen katyonlar (K +, Ca 2+, Mg 2+, Al 3+). Bu durumda, katoda elektron alıcıları, söz konusu grubun katyonları değil, su molekülleridir. Bu durumda, sulu çözeltide katyonların kendileri değişmeden kalır ve mevcut verim sıfıra yaklaşır.
Anotta çeşitli anyonların elektrooksidasyona oranı
Oksijensiz asitlerin anyonları ve tuzları (Cl ¯, Br ¯, J ¯, S 2-, CN¯, vb.) elektronlarını bir su molekülünden daha zayıf tutar. Bu nedenle, bu anyonları içeren bileşiklerin sulu çözeltilerinin elektrolizi sırasında, ikincisi elektron verici rolünü oynayacak, oksitlenecek ve elektronlarını elektrolizörün dış devresine aktaracaktır.
Oksijen asitlerinin anyonları (NO 3 ¯, SO 4 2-, PO 4 3-, vb.) elektronlarını su moleküllerinden daha sıkı tutabilirler. Bu durumda, anyonlar değişmeden kalırken, su anotta oksitlenir.
Çözünebilir bir anot durumunda, oksidatif işlemlerin sayısı üçe çıkar:
1) oksijen salınımı ile suyun elektrokimyasal oksidasyonu; 2) anyon deşarjı (yani oksidasyonu); 3) anot metalinin elektrokimyasal oksidasyonu (metalin anodik çözünmesi).
Olası süreçlerden enerjik olarak en uygun olanı gerçekleşecektir. Anot metali, diğer her iki elektrokimyasal sistemden daha önce bir dizi standart potansiyelde bulunursa, metalin anodik çözünmesi gözlemlenecektir. Aksi takdirde, oksijen çıkışı veya anyon deşarjı olacaktır. Anyonların deşarjı için yakın bir dizi oluşturulmamıştır. Elektron verme kabiliyetini azaltarak, en yaygın anyonlar şu şekilde düzenlenir: S 2-, J ¯, Br ¯, Cl ¯, OH¯, H 2 O, SO 4 2-, NO 3 ¯, CO 3 2- , PO 4 3- .
Sulu çözeltilerin birkaç tipik elektroliz vakasını ele alalım.
Çözünmeyen bir anot ile bir CuCl2 çözeltisinin elektrolizi
Bir dizi voltajda, bakır hidrojenden sonra yer alır, bu nedenle katotta Cu 2+ boşaltılır ve metalik bakır salınır ve klorür iyonları anotta moleküler klorCl 2'ye oksitlenir.
|
katot (-) |
|
|
Cu 2+ + 2ē → Cu 0 |
|
|
2Cl – – 2ē → Cl 2 |
Cu 2+ + 2 Cl – → Cu 0 +Cl 2
CuCl 2 → Cu 0 +Cl 2
Metal akım çıkışı (%95-100).
NaNO 3 çözeltisinin elektrolizi
Voltaj serisindeki sodyum, hidrojenden çok daha erken olduğu için, katotta su boşaltılacaktır. Anotta su da boşaltılacaktır.
|
katot (-) |
|
2 H 2 Ö+ 2ē →H 2 + 2 ey – |
|
2H 2 O–4ē → 4H + +O 2 . |
Böylece katotta hidrojen açığa çıkar ve alkali bir ortam oluşur, anotta oksijen salınır ve anot yakınında asidik bir ortam oluşturulur. Anot ve katot boşlukları birbirinden ayrılmazsa, çözüm tüm parçalarında elektriksel olarak nötr kalacaktır.
|
katot (-) |
|
|
2 H 2 Ö+ 2ē →H 2 + 2 ey – |
|
|
2H 2 O–4ē → 4H + +O 2 . |
6H 2 O → 2H 2 + 4OH – + 4H + +O 2
6H 2 O → 2H 2 +O 2 + 4H 2 Ö
2 H 2 Ö → 2 H 2 + Ö 2
Metalin mevcut çıkışı sıfırdır.
Bu nedenle NaNO3 çözeltisinin elektrolizi sırasında suyun elektrolizi meydana gelecektir. NaNO3 tuzunun rolü, çözeltinin elektriksel iletkenliğinde bir artışa indirgenir.
FeSO 4 çözeltisinin elektrolizi
Katottaki reaksiyonlar (-) (indirgeme):
|
a) Fe 2+ + 2ē → Fe 0 |
eşzamanlı reaksiyonlar |
|
b) 2 H 2 Ö+ 2ē →H 2 + 2 ey – . |
Anottaki reaksiyon (+) (oksidasyon):
2H 2 O–4ē → 4H + +O 2 .
Metalin mevcut çıkışı ortalamadır.
Çözünmeyen anot ile KJ çözeltisinin elektrolizi
|
katot (-) |
|
|
2 H 2 Ö+ 2ē →H 2 + 2 ey – |
|
|
2J – – 2ē → J 2 |
2 H 2 Ö + 2J – → H 2 + 2 ey – + J 2 .
KJ çözeltisinin elektrolizi için son reaksiyon denklemi:
2KJ+2H 2 O→H 2 + J 2 + 2KOH.
CuS04 çözeltisinin bakır (çözünür) anot ile elektrolizi.
Bakırın standart potansiyeli, -0,41 V'tan çok daha yüksek olan +0.337 V'dir; bu nedenle, bir CuS04 çözeltisinin katotta elektrolizi sırasında, Cu 2+ iyonlarının boşalması meydana gelir ve metalik bakır salınır. Anotta, ters işlem meydana gelir - metalin oksidasyonu, çünkü bakır potansiyeli suyun oksidasyon potansiyelinden (+1,228 V) çok daha azdır ve daha da fazlası - SO4 2- iyonunun oksidasyon potansiyeli ( +2.01 V). Sonuç olarak, bu durumda, elektroliz, anodun metalinin (bakırının) çözünmesine ve katotta ayrılmasına indirgenir.
Bakır sülfat çözeltisinin elektroliz şeması:
|
katot (-) |
|
Cu 2+ + 2ē → Cu 0 |
|
Cu 0 – 2ē → Cu 2+ . |
Bu işlem, metallerin elektrikle rafine edilmesi için kullanılır (elektrolitik arıtma olarak adlandırılır).
ELEKTROLİZ
Metal elde etmenin yollarından biri elektrolizdir. Aktif metaller doğada sadece kimyasal bileşikler halinde bulunur. Serbest halde bu bileşiklerden nasıl izole edilir?
Elektrolitlerin çözeltileri ve eriyikleri elektrik akımını iletir. Bununla birlikte, bir elektrolit çözeltisinden akım geçirildiğinde, kimyasal reaksiyonlar. Her biri mevcut kaynağın kutuplarından birine bağlı olan iki metal plaka bir elektrolit çözeltisine veya eriyik içine yerleştirilirse ne olacağını düşünün. Bu plakalara elektrot denir. Elektrik akımı, hareketli bir elektron akışıdır. Devredeki elektronların bir elektrottan diğerine hareket etmesi sonucunda elektrotlardan birinde fazla elektron oluşur. Elektronlar negatif yüke sahiptir, bu nedenle bu elektrot negatif yüklü hale gelir. Katot denir. Diğer elektrotta elektron eksikliği oluşur ve pozitif olarak yüklenir. Bu elektrot anot olarak adlandırılır. Bir çözelti veya eriyik içindeki bir elektrolit, pozitif yüklü iyonlara - katyonlara ve negatif yüklü iyonlara - anyonlara ayrışır. Katyonlar, negatif yüklü bir elektrot olan katot tarafından çekilir. Anyonlar, pozitif yüklü bir elektrota çekilir - anot. Elektrotların yüzeyinde iyonlar ve elektronlar arasında etkileşim meydana gelebilir.
Elektroliz, elektrolitlerin çözeltileri veya eriyiklerinden bir elektrik akımı geçtiğinde meydana gelen süreçleri ifade eder.
Çözeltilerin elektrolizi ve elektrolitlerin erimesi sırasında meydana gelen süreçler oldukça farklıdır. Bu iki durumu ayrıntılı olarak ele alalım.
Eriyik elektrolizi
Örnek olarak, bir sodyum klorür eriyiğinin elektrolizini düşünün. Eriyikte sodyum klorür iyonlarına ayrışır. Na+
ve Cl - : NaCl = Na + + Cl -
Sodyum katyonları, negatif yüklü bir elektrotun - katodun - yüzeyine hareket eder. Katot yüzeyinde fazla elektron var. Bu nedenle elektrot yüzeyinden sodyum iyonlarına elektron transferi olur. Aynı zamanda iyonlar Na+ sodyum atomlarına dönüştürülür, yani katyonlar indirgenir Na+ . Süreç denklemi:
Na + + e - = Na
Klorür iyonları Cl - pozitif yüklü bir elektrotun yüzeyine hareket edin - anot. Anot yüzeyinde elektron eksikliği oluşur ve elektronlar anyonlardan aktarılır Cl- elektrotun yüzeyine. Aynı zamanda, negatif yüklü iyonlar Cl- hemen birleşerek klor molekülleri C oluşturan klor atomlarına dönüştürülür. l2 :
2C l - -2e - \u003d Cl 2
Klorür iyonları elektron kaybeder, yani oksitlenirler.
Katot ve anotta meydana gelen işlemlerin denklemlerini birlikte yazalım.
Na + + e - = Na
2 C l - -2 e - \u003d Cl 2
Sodyum katyonlarının indirgenme sürecinde bir elektron, klor iyonlarının oksidasyon sürecinde ise 2 elektron yer alır. Ancak, elektrik yükünün korunumu yasasına uyulmalıdır, yani çözeltideki tüm parçacıkların toplam yükü sabit olmalıdır.Bu nedenle, sodyum katyonlarının indirgenmesinde yer alan elektronların sayısı elektronların sayısına eşit olmalıdır. klorür iyonlarının oksidasyonunda rol oynar.Bu nedenle, ilk denklemi 2 ile çarparız:
Na + + e - \u003d Na 2
2C l - -2e - \u003d Cl 2 1
Her iki denklemi de toplarız ve reaksiyon için genel denklemi elde ederiz.
2 Na + + 2C l - \u003d 2 Na + Cl 2 (iyonik reaksiyon denklemi) veya
2 NaCl \u003d 2 Na + Cl2 (moleküler reaksiyon denklemi)
Dolayısıyla, ele alınan örnekte elektrolizin bir redoks reaksiyonu olduğunu görüyoruz. Katotta, pozitif yüklü iyonların azaltılması - katyonlar, anotta - negatif yüklü iyonların oksidasyonu - anyonlar. Hangi işlemin nerede gerçekleştiğini hatırlamak için "T kuralı"nı kullanabilirsiniz:
katot - katyon - indirgeme.
Örnek 2Sodyum hidroksit eriyiğinin elektrolizi.
Çözeltideki sodyum hidroksit, katyonlara ve hidroksit iyonlarına ayrışır.
katot (-)<-- Na + + OH - à Анод (+)
Katot yüzeyinde sodyum katyonları indirgenir ve sodyum atomları oluşur:
katot (-) Na + +e à Na
Hidroksit iyonları anot yüzeyinde oksitlenirken oksijen açığa çıkar ve su molekülleri oluşur:
katot (-) Na + + e à Na
anot (+)4 OH - - 4 e à 2 H 2 O + O 2
Sodyum katyonlarının indirgeme reaksiyonunda ve hidroksit iyonlarının oksidasyon reaksiyonunda yer alan elektronların sayısı aynı olmalıdır. İlk denklemi 4 ile çarpalım:
katot (-) Na + + e à Na 4
anot (+)4 OH - – 4 e à 2 H 2 O + O 2 1
Her iki denklemi bir araya getirerek elektroliz reaksiyonunun denklemini elde ederiz:
4 NaOH à 4 Na + 2 H20 + O 2
Örnek 3Eriyiğin elektrolizini düşünün Al2O3
Bu reaksiyon kullanılarak, bol miktarda alüminyum oksit içeren doğal bir bileşik olan boksitten alüminyum elde edilir. Alüminyum oksidin erime noktası çok yüksektir (2000º C'den fazla), bu nedenle erime noktasını 800-900º C'ye düşüren özel katkı maddeleri eklenir. Eriyik içinde alüminyum oksit iyonlarına ayrışır. Al 3+ ve O 2-. H katotta katyonlar azalır 3+ , alüminyum atomlarına dönüşüyor:
Al +3 ve Al
Anyonlar anotta oksitlenir O 2- oksijen atomlarına dönüşür. Oksijen atomları hemen O 2 moleküllerine birleşir:
2 O 2- – 4 e à O 2
Alüminyum katyonlarının indirgenmesinde ve oksijen iyonlarının oksidasyonunda yer alan elektronların sayısı eşit olmalıdır, bu nedenle ilk denklemi 4 ile ve ikincisini 3 ile çarpıyoruz:
Al 3+ +3 ve Al 0 4
2 O 2- – 4 e à O 2 3
Her iki denklemi de toplayalım ve
4 Al 3+ + 6 O 2- a 4 Al 0 +3 O 2 0 (iyonik reaksiyon denklemi)
2 Al 2 O 3 à 4 Al + 3 O 2
çözelti elektrolizi
Bir sulu elektrolit çözeltisinden bir elektrik akımının geçirilmesi durumunda, çözeltide elektronlarla da etkileşime girebilen su moleküllerinin mevcudiyeti ile mesele karmaşıklaşır. Bir su molekülünde hidrojen ve oksijen atomlarının polar bir kovalent bağ ile bağlandığını hatırlayın. Oksijenin elektronegatifliği hidrojenin elektronegatifliğinden daha büyüktür, bu nedenle paylaşılan elektron çiftleri oksijen atomuna doğru kaydırılır. Oksijen atomunda kısmi negatif yük oluşur, δ- ile gösterilir ve hidrojen atomlarında kısmi pozitif yüke sahiptir, δ+ ile gösterilir.
δ+
H-O δ-
│
H δ+
Bu yük kayması nedeniyle, su molekülünün pozitif ve negatif "kutupları" vardır. Bu nedenle, su molekülleri, pozitif yüklü bir kutup tarafından negatif yüklü bir elektrota - katoda ve negatif bir kutup tarafından - pozitif yüklü bir elektrota - anoda çekilebilir. Katotta su molekülleri indirgenebilir ve hidrojen salınır:
Su moleküllerinin oksidasyonu, oksijenin serbest bırakılmasıyla anotta meydana gelebilir:
2 H 2 O - 4e - \u003d 4H + + O 2
Bu nedenle, elektrolit katyonları veya su molekülleri katotta indirgenebilir. Bu iki süreç birbiriyle yarışıyor gibi görünüyor. Katotta gerçekte hangi işlemin gerçekleştiği metalin doğasına bağlıdır. Katotta metal katyonlarının mı yoksa su moleküllerinin mi indirgeneceği, metalin içindeki konumuna bağlıdır. bir dizi metal gerilmesi .
Li K Na Ca Mg Al ¦¦ Zn Fe Ni Sn Pb (H 2) ¦¦ Cu Hg Ag Au
Metal, hidrojenin sağındaki voltaj serisindeyse, katotta metal katyonları indirgenir ve serbest metal serbest bırakılır. Metal, alüminyumun solundaki voltaj serisindeyse, su molekülleri katotta indirgenir ve hidrojen açığa çıkar. Son olarak, çinkodan kurşuna metal katyonları durumunda, ya metal evrimi ya da hidrojen evrimi meydana gelebilir ve bazen hem hidrojen hem de metal aynı anda gelişir. Genel olarak, bu oldukça karmaşık bir durumdur, çoğu reaksiyon koşullarına bağlıdır: çözeltinin konsantrasyonu, mevcut güç ve diğerleri.
Anotta iki işlemden biri de meydana gelebilir - elektrolit anyonlarının oksidasyonu veya su moleküllerinin oksidasyonu. Gerçekte hangi işlemin gerçekleştiği anyonun doğasına bağlıdır. Anoksik asitlerin tuzlarının veya asitlerin kendilerinin elektrolizi sırasında, anyonlar anotta oksitlenir. Tek istisna florür iyonudur. F- . Oksijen içeren asitlerde su molekülleri anotta oksitlenir ve oksijen açığa çıkar.
örnek 1Sulu bir sodyum klorür çözeltisinin elektrolizine bakalım.
Sulu bir sodyum klorür çözeltisinde sodyum katyonları olacaktır. Na + , klor anyonları Cl - ve su molekülleri.
2 NaCl ve 2 Na + + 2 Cl -
2H 2 О а 2H + + 2OH -
katot (-) 2 Na+ ; 2H+; 2Н + + 2е а Н 0 2
anot (+)2Cl-; 2OH-; 2 Cl - – 2e ve 2 Cl 0
2NaCl + 2H20 à H2 + Cl2 + 2NaOH
Kimyasal aktivite anyonlar zor azalır.
Örnek 2Ya tuz içeriyorsa SO 4 2- ? Bir nikel sülfat çözeltisinin elektrolizini düşünün ( II ). nikel sülfat ( II ) iyonlarına ayrışır Ni 2+ ve SO 4 2-:
NiSO 4 à Ni 2+ + SO 4 2-
H 2 O à H + + OH -
Nikel katyonları metal iyonları arasındadır Al 3+ ve Pb 2+ gerilim serisinde orta bir pozisyonda yer alan katottaki geri kazanım işlemi her iki şemaya göre gerçekleşir:
2 H20 + 2e - \u003d H2 + 2OH -
Oksijen içeren asitlerin anyonları anotta oksitlenmez ( anyon aktivite serisi ), su molekülleri oksitlenir:
anot e à O 2 + 4H +
Katot ve anotta meydana gelen işlemlerin denklemlerini birlikte yazalım:
katot (-) Ni 2+ ; H+; Ni 2+ + 2е ve Ni 0
2 H20 + 2e - \u003d H2 + 2OH -
anot (+) S04 2- ; OH -;2H20 - 4 e à O 2 + 4H +
İndirgeme süreçlerinde 4 elektron yer alır ve oksidasyon sürecinde 4 elektron da yer alır. Bu denklemleri bir araya getirerek genel reaksiyon denklemini elde ederiz:
Ni 2+ +2 H 2 O + 2 H 2 O à Ni 0 + H 2 + 2OH - + O 2 + 4 H +
Denklemin sağ tarafında aynı anda H + iyonları ve ah- su moleküllerini oluşturmak için bir araya gelen:
H + + OH - à H 2 O
Bu nedenle denklemin sağ tarafında 4 H+ iyonu ve 2 iyon yerine ah- 2 su molekülü ve 2 H + iyonu yazıyoruz:
Ni 2+ +2 H 2 O + 2 H 2 O à Ni 0 + H 2 +2 H 2 O + O 2 + 2 H +
Denklemin her iki tarafındaki iki su molekülünü azaltalım:
Ni 2+ +2 H 2 O à Ni 0 + H 2 + O 2 + 2 H +
Bu kısa bir iyonik denklemdir. Tam iyonik denklemi elde etmek için sülfat iyonunun her iki kısmına da eklemeniz gerekir. SO 4 2- nikel sülfatın ayrışması sırasında oluşan ( II ) ve reaksiyona katılmamak:
Ni 2+ + SO 4 2- + 2H 2 O à Ni 0 + H 2 + O 2 + 2H + + SO 4 2-
Böylece, bir nikel sülfat çözeltisinin elektrolizi sırasında ( II ) katotta hidrojen ve nikel salınır ve anotta oksijen salınır.
NiSO 4 + 2H 2 O à Ni + H 2 + H 2 SO 4 + O 2
Örnek 3 İnert bir anot ile sulu bir sodyum sülfat çözeltisinin elektrolizi sırasında meydana gelen işlemlerin denklemlerini yazın.
Sistemin standart elektrot potansiyeli Na + + e = Na 0, nötr sulu bir ortamdaki (-0,41 V) su elektrotunun potansiyelinden çok daha negatiftir.Bu nedenle, hidrojen oluşumu ile birlikte katotta suyun elektrokimyasal indirgenmesi meydana gelecektir.
2H 2 О а 2H + + 2OH -
ve Na iyonları + katoda gelen çözeltinin bitişik kısmında birikecektir (katot boşluğu).
Anotta, suyun elektrokimyasal oksidasyonu meydana gelecek ve oksijen salınımına yol açacaktır.
2 H 2 O - 4e à O 2 + 4 H +
çünkü bu sisteme karşılık geliyor standart elektrot potansiyeli (1,23 V), sistemi karakterize eden standart elektrot potansiyelinden (2,01 V) önemli ölçüde düşüktür
2 SO 4 2- + 2 e \u003d S 2 O 8 2-.
İyonlar SO 4 2- elektroliz sırasında anoda doğru hareket etmek, anot boşluğunda birikecektir.
Katodik işlemin denklemini iki ile çarparak ve anot işleminin denklemine ekleyerek, elektroliz işleminin toplam denklemini elde ederiz:
6 H 2 O \u003d 2 H 2 + 4 OH - + O 2 + 4 H +
İyonların katot uzayında ve iyonların anot uzayında aynı anda biriktiği dikkate alındığında, genel süreç denklemi aşağıdaki biçimde yazılabilir:
6H 2 O + 2Na 2 SO 4 \u003d 2H 2 + 4Na + + 4OH - + O 2 + 4H + + 2SO 4 2-
Böylece, hidrojen ve oksijenin salınmasıyla eşzamanlı olarak, sodyum hidroksit (katot boşluğunda) ve sülfürik asit (anot boşluğunda) oluşur.
Örnek 4Bakır sülfat çözeltisinin elektrolizi ( II) CuSO4.
katot (-)<-- Cu 2+ + SO 4 2- à анод (+)
katot (-) Cu 2+ + 2e à Cu 0 2
anot (+) 2H 2 O - 4 e à O 2 + 4H + 1
H + iyonları çözeltide kalır ve SO 4 2- , çünkü sülfürik asit birikir.
2CuSO 4 + 2H 2 O à 2Cu + 2H 2 SO 4 + O 2
Örnek 5 Bakır klorür çözeltisinin elektrolizi ( II) CuCl2.
katot (-)<-- Cu 2+ + 2Cl - à анод (+)
katot (-) Cu 2+ + 2e à Cu 0
anot (+) 2Cl - – 2e à Cl 0 2
Her iki denklem de iki elektron içerir.
Cu 2+ + 2e à Cu 0 1
2Cl - --– 2e à Cl 2 1
Cu 2+ + 2 Cl - à Cu 0 + Cl 2 (iyonik denklem)
CuCl 2 à Cu + Cl 2 (moleküler denklem)
Örnek 6 Gümüş nitrat çözeltisinin elektrolizi AgNO3.
katot (-)<-- Ag + + NO 3 - à Анод (+)
katot (-) Ag + + e à Ag 0
anot (+) 2H 2 O - 4 e à O 2 + 4H +
Ag + + e à Ag 0 4
2H 2 O - 4 e à O 2 + 4H + 1
4 Ag + + 2 H 2 O à 4 Ag 0 + 4 H + + Ö 2 (iyonik denklem)
4 Ag + + 2 H 2 Öà 4 Ag 0 + 4 H + + Ö 2 + 4 NUMARA 3 - (tam iyonik denklem)
4 AgNO 3 + 2 H 2 Öà 4 Ag 0 + 4 HNO 3 + Ö 2 (moleküler denklem)
Örnek 7 Hidroklorik asit çözeltisinin elektroliziHCl.
katot (-)<-- H + + Cl - à anot (+)
katot (-) 2H + + 2 eà H 2
anot (+) 2Cl - – 2 eà Cl 2
2 H + + 2 Cl - à H 2 + Cl 2 (iyonik denklem)
2 HClà H 2 + Cl 2 (moleküler denklem)
Örnek 8 Sülfürik asit çözeltisinin elektroliziH 2 BÖYLE 4 .
Katot (-) <-- 2H + + SO 4 2- à anot (+)
katot (-)2H+ + 2eà H2
anot(+) 2H 2 O - 4eà O2+4H+
2H+ + 2eà H 2 2
2H2O-4eà O 2 + 4H+1
4H+ + 2H2Oà 2H 2 + 4H+ + O 2
2H2Oà 2H2+O2
Örnek 9. Potasyum hidroksit çözeltisinin elektroliziKOH.
katot (-)<-- K + + ey - à anot (+)
Potasyum katotta indirgenmez, çünkü potasyum alüminyumun solundaki metallerin voltaj serisindedir, bunun yerine su molekülleri azalır:
2H2O + 2eà H2 + 2OH - 4OH - -4eà 2H 2 O +O 2
katot(-)2H2O+2eà H2 + 2OH - 2
anot(+) 4OH - - 4eà 2H 2 O + O 2 1
4H20 + 4OH -à 2H 2 + 4OH - + 2H 2 O + O 2
2 H 2 Öà 2 H 2 + Ö 2
Örnek 10 Potasyum nitrat çözeltisinin elektrolizibilgi 3 .
Katot (-) <-- K + + NO 3 - à anot (+)
2H2O + 2eà H2 + 2OH - 2H20 - 4eà O2+4H+
katot(-)2H2O+2eà H2 + 2OH-2
anot(+) 2H 2 O - 4eà O 2 + 4H+1
4H2O + 2H2Oà 2H2+4OH-+4H++ O2
2H2Oà 2H2+O2
Bir elektrik akımı, alüminyumun solundaki metallerin voltaj serisindeki metallerle oksijen içeren asitlerin, alkalilerin ve oksijen içeren asitlerin tuzlarının çözeltilerinden geçirildiğinde, pratik olarak su elektrolizi meydana gelir. Bu durumda, katotta hidrojen ve anotta oksijen salınır.
Sonuçlar. Sulu elektrolit çözeltilerinin elektroliz ürünlerini belirlerken, en basit durumlarda, aşağıdaki hususlara rehberlik edilebilir:
1. Standart potansiyelin küçük bir cebirsel değerine sahip metal iyonları -Li + öncekiAl 3+ dahil - elektronları yeniden bağlama konusunda çok zayıf bir eğilime sahip olmak, bu açıdan iyonlara yol açarH + (santimetre. Katyon aktivite serisi). Bu katyonları içeren bileşiklerin sulu çözeltilerinin elektrolizinde, katot üzerinde oksitleyici bir maddenin işlevi iyonlar tarafından gerçekleştirilir.H + , şemaya göre geri yüklerken:
2 H 2 Ö+ 2 eà H 2 + 2OH -
2. Standart potansiyellerin pozitif değerlerine sahip metal katyonlar (Cu 2+ , Ag + , hg 2+ vb.), elektronları iyonlardan daha fazla bağlama eğilimine sahiptir. Tuzlarının sulu çözeltilerinin elektrolizi sırasında, bu katyonlar, şemaya göre bir metale indirgenirken, katot üzerinde bir oksitleyici maddenin işlevini yayar, örneğin:
Cu 2+ +2 eà Cu 0
3. Metal tuzlarının sulu çözeltilerinin elektrolizi sırasındaçinko, Fe, CD, Nive diğerleri, voltaj serisinde listelenen gruplar arasında orta bir pozisyonda yer alır, katottaki indirgeme işlemi her iki şemaya göre gerçekleşir. Serbest bırakılan metalin kütlesi, bu durumlarda, bir kısmı hidrojen oluşumuna harcanan, akan elektrik akımı miktarına karşılık gelmez.
4. Elektrolitlerin sulu çözeltilerinde, monatomik anyonlar (Cl - , br - , J - ), oksijen içeren anyonlar (NUMARA 3 - , BÖYLE 4 2- , PO 4 3- ve diğerleri) ve ayrıca suyun hidroksil iyonları. Bunlardan halojenür iyonları, aşağıdakiler dışında daha güçlü indirgeme özelliklerine sahiptir.F. iyonlareyve çok atomlu anyonlar arasında bir ara konum işgal eder. Bu nedenle sulu çözeltilerin elektrolizi sırasındaHCl, HBr, HJveya anottaki tuzları, halojenür iyonları şemaya göre oksitlenir:
2 X - -2 eà X 2 0
Sulu sülfat, nitrat, fosfat vb. çözeltilerinin elektrolizi sırasında. indirgeyici maddenin işlevi, şemaya göre oksitlenirken iyonlar tarafından gerçekleştirilir:
4 HOH – 4 eà 2 H 2 Ö + Ö 2 + 4 H +
.
Görevler.
W a kulübe 1. Bir bakır sülfat çözeltisinin elektrolizi sırasında, katotta 48 g bakır serbest bırakıldı. Anotta açığa çıkan gazın hacmini ve çözeltide oluşan sülfürik asit kütlesini bulun.
Çözeltideki bakır sülfat hiçbir iyonu ayrıştırmazC2+ veS0 4 2 ".
CuS0 4 \u003d Cu 2+ + S0 4 2 "
Katot ve anotta meydana gelen işlemlerin denklemlerini yazalım. Katotta bakır iyonları azalır, anotta suyun elektrolizi gerçekleşir:
Cu 2+ + 2e- \u003d Cu12
2H 2 0-4e- = 4H + + 0 2 |1
Genel elektroliz denklemi:
2Cu2+ + 2H2O = 2Cu + 4H+ + O2 (kısa iyonik denklem)
Bakır sülfatın ayrışması sırasında oluşan her biri 2 sülfat iyonu denkleminin her iki tarafına ekleyin, tam iyonik denklemi elde ederiz:
2Cu2+ + 2S042" + 2H20 = 2Cu + 4H+ + 2SO4 2" + O2
2CuSO4 + 2H2O = 2Cu + 2H2SO4 + O2
Anotta açığa çıkan gaz oksijendir. Çözeltide sülfürik asit oluşur.
Bakırın molar kütlesi 64 g / mol'dür, bakır maddesinin miktarını hesaplıyoruz:
Reaksiyon denklemine göre, anottan 2 mol bakır salındığında, 1 mol oksijen salınır. Katotta 0.75 mol bakır salındı, anotta x mol oksijen salınmasına izin verin. Bir orantı yapalım:
2/1=0,75/x, x=0,75*1/2=0,375mol
Anotta 0.375 mol oksijen salındı,
v(O2) = 0.375 mol.
Serbest bırakılan oksijenin hacmini hesaplayın:
V(O2) \u003d v (O2) "VM \u003d 0,375 mol" 22,4 l / mol \u003d 8,4 l
Reaksiyon denklemine göre, katotta 2 mol bakır salındığında çözeltide 2 mol sülfürik asit oluşur, yani katotta 0.75 mol bakır salınırsa 0.75 mol sülfürik asit oluşur. çözeltide, v (H2SO4) = 0.75 mol. Sülfürik asidin molar kütlesini hesaplayın:
M(H2SO4) = 2-1+32+16-4 = 98 g/mol.
Sülfürik asit kütlesini hesaplayın:
m (H2S04) \u003d v (H2S04> M (H2S04) \u003d \u003d 0,75 mol \u003d 98 g / mol \u003d 73,5 g.
Cevap: Anotta 8.4 litre oksijen salındı; Çözeltide 73,5 g sülfürik asit oluştu
Görev 2. 111.75 g potasyum klorür içeren sulu bir çözeltinin elektrolizi sırasında katot ve anotta salınan gazların hacmini bulun. Çözeltide hangi madde oluşur? Kütlesini bulun.
Çözeltideki potasyum klorür, K+ ve Cl iyonlarına ayrışır:
2KS1 \u003d K + + Cl
Potasyum iyonları katotta indirgenmez, bunun yerine su molekülleri indirgenir. Klorür iyonları anotta oksitlenir ve klor açığa çıkar:
2H2O + 2e "= H2 + 20H-|1
2SG-2e "= C12|1
Genel elektroliz denklemi:
2CHl + 2H2O \u003d H2 + 2OH "+ C12 (kısa iyonik denklem) Çözelti ayrıca potasyum klorürün ayrışması sırasında oluşan ve reaksiyona katılmayan K + iyonlarını içerir:
2K+ + 2Cl + 2H20 = H2 + 2K+ + 2OH" + C12
Denklemi moleküler biçimde yeniden yazalım:
2KS1 + 2H2O = H2 + C12 + 2KOH
Katotta hidrojen açığa çıkar, anotta klor salınır ve çözeltide potasyum hidroksit oluşur.
Çözelti 111.75 g potasyum klorür içeriyordu.
Potasyum klorürün molar kütlesini hesaplayın:
M(KC1) = 39+35.5 = 74,5 g/mol
Potasyum klorür maddesinin miktarını hesaplayın:
Reaksiyon denklemine göre, 2 mol potasyum klorürün elektrolizi, 1 mol klor açığa çıkarır. 1.5 mol potasyum klorürün elektrolizinin x mol klor salmasına izin verin. Bir orantı yapalım:
2/1=1,5/x, x=1,5 /2=0,75 mol
0.75 mol klor salınacak, v (C! 2) \u003d 0.75 mol. Reaksiyon denklemine göre, anotta 1 mol klor salındığında, katotta 1 mol hidrojen salınır. Bu nedenle, anotta 0.75 mol klor salınırsa, katotta 0.75 mol hidrojen salınır, v(H2) = 0.75 mol.
Anotta salınan klor hacmini hesaplayalım:
V (C12) \u003d v (Cl2) -VM \u003d 0.75 mol \u003d 22.4 l / mol \u003d 16.8 l.
Hidrojenin hacmi, klorun hacmine eşittir:
Y (H2) \u003d Y (C12) \u003d 16,8 l.
Reaksiyon denklemine göre, 2 mol potasyum klorürün elektrolizi sırasında 2 mol potasyum hidroksit oluşur, yani 0.75 mol potasyum klorürün elektrolizi sırasında 0.75 mol potasyum hidroksit oluşur. Potasyum hidroksitin molar kütlesini hesaplayın:
M (KOH) \u003d 39 + 16 + 1 - 56 g / mol.
Potasyum hidroksitin kütlesini hesaplayın:
m(KOH) \u003d v (KOH> M (KOH) \u003d 0.75 mol-56 g / mol \u003d 42 g.
Cevap: Katotta 16.8 litre hidrojen, anotta 16.8 litre klor salındı ve çözeltide 42 gr potasyum hidroksit oluştu.
Görev 3. Anotta 19 g iki değerlikli metal klorür çözeltisinin elektrolizi sırasında 8.96 litre klor açığa çıktı. Hangi metal klorürün elektrolize tabi tutulduğunu belirleyin. Katotta salınan hidrojen hacmini hesaplayın.
Bilinmeyen metal M'yi belirtiyoruz, klorürünün formülü MC12'dir. Anotta klorür iyonları oksitlenir ve klor açığa çıkar. Durum, hidrojenin katotta salındığını, bu nedenle su moleküllerinin azaldığını söylüyor:
2H20 + 2e- = H2 + 2OH|1
2Cl -2e "= C12! 1
Genel elektroliz denklemi:
2Cl + 2H2O \u003d H2 + 2OH "+ C12 (kısa iyonik denklem)
Çözelti ayrıca reaksiyon sırasında değişmeyen M2+ iyonları içerir. Tam iyonik reaksiyon denklemini yazıyoruz:
2SG + M2+ + 2H2O = H2 + M2+ + 2OH- + C12
Reaksiyon denklemini moleküler biçimde yeniden yazalım:
MS12 + 2H2O - H2 + M(OH)2 + C12
Anotta salınan klor miktarını bulun:
Reaksiyon denklemine göre, bilinmeyen bir metalin 1 mol klorürünün elektrolizi sırasında 1 mol klor açığa çıkar. 0,4 mol klor serbest bırakılırsa, 0,4 mol metal klorür elektrolize tabi tutulur. Metal klorürün molar kütlesini hesaplayın:
Bilinmeyen bir metalin klorürün molar kütlesi 95 g/mol'dür. İki klor atomu başına 35.5"2 = 71 g/mol vardır. Bu nedenle metalin molar kütlesi 95-71 = 24 g/mol'dür. Magnezyum bu molar kütleye karşılık gelir.
Reaksiyon denklemine göre, anotta salınan 1 mol klor için katotta salınan 1 mol hidrojen vardır. Bizim durumumuzda, anotta 0,4 mol klor salındı, bu da katotta 0,4 mol hidrojen salındığı anlamına geliyor. Hidrojenin hacmini hesaplayın:
V (H2) \u003d v (H2> VM \u003d 0,4 mol \u003d 22,4 l / mol \u003d 8,96 l.
Cevap: magnezyum klorürün elektroliz çözeltisine tabi tutulur; Katotta 8.96 litre hidrojen salındı.
*Problem 4. %15 konsantrasyonlu 200 g potasyum sülfat çözeltisinin elektrolizi sırasında, anotta 14.56 litre oksijen salındı. Elektrolizin sonunda çözeltinin konsantrasyonunu hesaplayın.
Bir potasyum sülfat çözeltisinde, su molekülleri hem katotta hem de anotta reaksiyona girer:
2H20 + 2e "= H2 + 20H-|2
2H2O - 4e "= 4H+ + O2! 1
Her iki denklemi bir araya getirelim:
6H2O \u003d 2H2 + 4OH "+ 4H + + O2 veya
6H2O \u003d 2H2 + 4H2O + O2 veya
2H2O = 2H2 + 02
Aslında, bir potasyum sülfat çözeltisinin elektrolizi sırasında suyun elektrolizi meydana gelir.
Bir çözeltideki bir çözünenin konsantrasyonu aşağıdaki formülle belirlenir:
C=m(çözünen) %100 / m(çözelti)
Elektrolizin sonunda potasyum sülfat çözeltisinin konsantrasyonunu bulmak için potasyum sülfatın kütlesini ve çözeltinin kütlesini bilmek gerekir. Potasyum sülfatın kütlesi reaksiyon sırasında değişmez. İlk çözeltideki potasyum sülfat kütlesini hesaplayın. İlk çözümün konsantrasyonunu C olarak gösterelim.
m(K2S04) = C2 (K2S04) m(çözelti) = 0.15 200 g = 30 g.
Suyun bir kısmı hidrojen ve oksijene dönüştürüldüğü için elektroliz sırasında çözeltinin kütlesi değişir. Serbest bırakılan oksijen miktarını hesaplayın:
(Ö 2) \u003d V (O2) / Vm \u003d 14,56 l / 22,4 l / mol \u003d 0,65 mol
Reaksiyon denklemine göre 2 mol sudan 1 mol oksijen oluşur. x mol suyun bozunması sırasında 0,65 mol oksijen açığa çıksın. Bir orantı yapalım:
1.3 mol ayrışmış su, v(H2O) = 1.3 mol.
Suyun molar kütlesini hesaplayın:
M(H2O) \u003d 1-2 + 16 \u003d 18 g / mol.
Ayrışmış suyun kütlesini hesaplayın:
m(H2O) \u003d v (H2O> M (H2O) \u003d 1.3 mol * 18 g / mol \u003d 23.4 g.
Potasyum sülfat çözeltisinin kütlesi 23.4 g azaldı ve 200-23.4 = 176.6 g'a eşit oldu Şimdi elektroliz sonunda potasyum sülfat çözeltisinin konsantrasyonunu hesaplayalım:
С2 (K2 SO4)=m(K2 SO4) %100 / m(çözelti)=30g %100 / 176.6g=17
Cevap: elektrolizin sonunda çözeltinin konsantrasyonu %17'dir.
* 3 problem 5. 188.3 g sodyum ve potasyum klorür karışımı suda çözündürüldü ve elde edilen çözeltiden bir elektrik akımı geçirildi. Elektroliz sırasında katotta 33.6 litre hidrojen açığa çıktı. Karışımın bileşimini ağırlıkça yüzde olarak hesaplayın.
Potasyum ve sodyum klorür karışımını suda çözdükten sonra çözelti K+, Na+ ve Cl- iyonlarını içerir. Katotta ne potasyum iyonları ne de sodyum iyonları indirgenmez, su molekülleri indirgenir. Klorür iyonları anotta oksitlenir ve klor açığa çıkar:
Denklemleri moleküler biçimde yeniden yazalım:
2KS1 + 2H20 = H2 + C12 + 2KOH
2NaCl + 2H2O = H2 + C12 + 2NaOH
Karışımda bulunan potasyum klorür maddesi miktarını x mol ve sodyum klorür maddesi miktarını y mol olarak gösterelim. Reaksiyon denklemine göre, 2 mol sodyum veya potasyum klorürün elektrolizi sırasında 1 mol hidrojen açığa çıkar. Bu nedenle, elektroliz sırasında x mol potasyum klorür, x / 2 veya 0,5 x mol hidrojen oluşur ve elektroliz sırasında y mol sodyum klorür 0,5 y mol hidrojendir. Karışımın elektrolizi sırasında açığa çıkan hidrojen maddesi miktarını bulun:
Denklemi yapalım: 0,5x + 0,5y \u003d 1,5
hesaplama molar kütleler potasyum ve sodyum klorürler:
M(KC1) = 39+35.5 = 74,5 g/mol
M(NaCl) = 23+35.5 = 58,5 g/mol
Kütle x mol potasyum klorür:
m (KCl) \u003d v (KCl) -M (KCl) \u003d x mol-74.5 g / mol \u003d 74,5 x g.
Bir mol sodyum klorürün kütlesi:
m (KCl) \u003d v (KCl) -M (KCl) \u003d y mol-74.5 g / mol \u003d 58,5 ug.
Karışımın kütlesi 188.3 g, ikinci denklemi yapıyoruz:
74,5x + 58,5y = 188.3
Böylece, iki bilinmeyenli iki denklem sistemini çözüyoruz:
0,5(x + y)= 1,5
74,5x + 58.5y = 188.3g
İlk denklemden x'i ifade ediyoruz:
x + y \u003d 1.5 / 0.5 \u003d 3,
x = 3-y
Bu x değerini ikinci denklemde yerine koyarsak, şunu elde ederiz:
74,5-(3-y) + 58,5y = 188.3
223,5-74.5y + 58,5y = 188.3y
-16y = -35.2
y \u003d %2,2 %100 / 188.3g \u003d %31,65
Sodyum klorürün kütle fraksiyonunu hesaplayın:
w(NaCl) = %100 - w(KCl) = %68,35
Cevap: karışım %31.65 potasyum klorür ve %68.35 sodyum klorür içerir.
Klorlama
Sodyum hipokloritin (NaClO) kullanımı, bir dizi zararlı mikroorganizmayı nötralize etme kimyasal yeteneğinden kaynaklanmaktadır. Bakterisidal özellikleri, bir dizi tehlikeli mantar ve bakterinin yok edilmesini amaçlar.
Sodyum hipoklorit elde etmek için, moleküler klor (Cl) kullanılarak sodyum hidroksitin (NaOH) klorlanması işlemini gerçekleştirmek gerekir.
Sodyum hipokloritin (NaClO) etki prensibi oldukça basittir, çünkü bu madde yüksek biyosidal (biyosit - kimyasallar, zararlı veya patojenik mikroorganizmalarla mücadele için tasarlanmış) özellikleri. Sodyum hipoklorit (NaClO) suya girdiğinde aktif olarak parçalanmaya başlar, radikaller ve oksijen şeklinde aktif partiküller oluşturur.Sodyum hipoklorit (NaClO) radikalleri zararlı mikroorganizmalara karşı yönlendirilir. Aktif sodyum hipoklorit parçacıkları (NaClO) mikroorganizmanın dış kabuğunu veya biyofilmini yok etmeye başlar, bu nedenle çeşitli patojenik mantarların, virüslerin ve bakterilerin nihai ölümüne yol açar.Sodyum hipokloritin kimyasal bileşimi suyu dekontamine etmeyi ve dezenfekte etmeyi amaçlar. . Bu nedenle bu madde insan yaşamının birçok alanında önemli bir yer tutar. Dünya çalışmaları, vakaların %91'inde dezenfeksiyon için sodyum hipokloritin (NaClO) kullanıldığını, kalan %9'unun potasyum veya lityum hipoklorit içerdiğini göstermektedir. Ancak bu maddenin günlük yaşamda sonuç ve fayda sağlaması için çözeltinin konsantrasyonunu dikkatlice izlemek gerekir.
Klorlama, suyu dezenfekte etmenin en kolay ve en ucuz yolu olduğu ortaya çıktı, bu yüzden hızla dünyaya yayıldı. Artık geleneksel dezenfeksiyon yönteminin içme suyu, tüm dünyada kabul edilen (100 vakadan 99'unda) klorlamadır ve bugün suyun klorlanması için yılda yüz binlerce ton klor harcanmaktadır.Örneğin, Rusya'da suyun% 99'undan fazlası klorlamaya tabidir. ve bu amaçlar için yaklaşık 100 bin ton klor.
Mevcut içme suyu dezenfeksiyonu uygulamasında, klorlama en ekonomik ve en etkili yöntem olarak sıklıkla kullanılmaktadır. etkili yöntem Diğer bilinen yöntemlerle karşılaştırıldığında, klorun art etkisi nedeniyle dağıtım şebekesinin herhangi bir noktasında herhangi bir zamanda suyun mikrobiyolojik güvenliğini sağlamanın tek yolu budur.
Su ile reaksiyona giren klorun (Cl) "klorlu su" (daha önce düşünüldüğü gibi) değil, hipokloröz asit oluşturduğu iyi bilinmektedir ( HClO) - aktif klor içeren kimyagerler tarafından elde edilen ilk madde.
Reaksiyon denkleminden: HClO + HCl ↔ Cl2 + H20, bunu teorik olarak 52,5 g'dan takip eder. HClO 71 gr alabilirsin Cl2 yani hipokloröz asit %135.2 aktif klor içerir. Ancak bu asit kararsızdır: çözeltideki olası maksimum konsantrasyonu %30'dan fazla değildir.
Klor suda kolayca çözünür ve içindeki tüm canlıları öldürür. Gaz halindeki klorun su ile karıştırılmasından sonra kurulduğundan, sulu bir çözeltide bir denge kurulur:
Cl 2 + H 2 O ↔ HClO + HCl
Daha sonra ayrışma meydana gelir (ayrışma, oluşan hipokloröz asidin bir parçacığının (molekül, radikal, iyon) birkaç daha basit parçacığa ayrışmasıdır) HOCl ↔ H+ + OCl –
Sulu klor çözeltilerinde hipokloröz asidin varlığı ve ayrışmasından kaynaklanan anyonlar OSI - güçlü bakterisit özelliklere sahiptir (bu, mikroorganizmaları yok etme yeteneğidir). Serbest hipokloröz asidin hipoklorit iyonlarından neredeyse 300 kat daha aktif olduğu ortaya çıktı. ClO-. Bu eşsiz yetenekle açıklanır. HClO bakterileri zarlarından geçirirler. Ek olarak, daha önce belirttiğimiz gibi, hipokloröz asit ışıkta bozunmaya tabidir:
2HClO → 2 1O 2 + 2HCl → O 2 + HCl
en güçlü oksitleyici ajan olan hidroklorik asit ve atomik (tekli) oksijen (bir ara ürün olarak) oluşumu ile.
Klorlama işlemi.
Su arıtma tesisinde, klor çeşitli kapasitelerde özel kaplarda, küçük ve orta hacimli silindirlerde sıvılaştırılmış halde sağlanır. Ancak suyu dezenfekte etmek için gaz halindeki klor kullanılır. Gaz halindeki klor, sıvı klorun içinden geçtiği, içine serpantin yerleştirilmiş dikey silindirik aparat olan serpantin evaporatörlerinde buharlaştırılarak sıvı klordan elde edilir. Elde edilen gaz halindeki klorun suya dozlanması, özel cihazlar - vakumlu klorlayıcılar aracılığıyla gerçekleştirilir.
Klorun arıtılmış suya katılmasından sonra, su tüketiciye verilmeden önce su ile iyi bir şekilde karışması ve su ile temasının yeterli bir süre (en az 30 dakika) olması sağlanmalıdır. Klorlama öncesi suyun önceden hazırlanmış olması gerektiği ve kural olarak klorlamanın genellikle arıtılmış su tanka girmeden önce yapıldığı unutulmamalıdır. Temiz su, gerekli iletişim süresinin sağlandığı yer.
Su dezenfeksiyonu için klor gazı kullanmanın başlıca avantajları
şunlardır:
- düşük maliyetli su dezenfeksiyon işlemi;
- klorlama işlemini gerçekleştirme kolaylığı;
- gaz halindeki klorun yüksek dezenfekte etme yeteneği;
- klor sadece mikroorganizmaları etkilemekle kalmaz, aynı zamanda organik ve inorganik maddeleri de oksitler;
- klor suyun tat ve kokularını giderir, rengi bulanıklığın artmasına katkıda bulunmaz.
Ancak klor güçlüdür. Zehirli madde ikinci tehlike sınıfına aittir.Gaz halindeki klor, birçok maddenin yanmasını destekleyen güçlü bir oksitleyicidir. organik madde, yanıcı maddelerle teması halinde yanıcıdır. Klor atmosferinde terebentin, titanyum ve metal tozları, oda sıcaklığında kendiliğinden yanma yeteneğine sahiptir. Klor, hidrojen ile patlayıcı karışımlar oluşturur.
Bazen klorlama güvenliğini sağlamanın maliyeti, suyun fiili klorlanmasının maliyetini aşar.
Bu bakımdan su klorlamasında klor ajanı olarak sodyum hipokloritin kullanılması gaz klora iyi bir alternatiftir.
Elektroliz
En ucuz, en basit ve en güvenli yöntem, sulu bir sodyum klorür (NaCl) çözeltisinin elektrolizi ve aynı cihazda alkali ile etkileşimi - bir elektrolizör ile dezenfektan sodyum hipoklorit çözeltileri elde etmektir. 
Fotoğraflar elektrolizörü göstermektedir. Sodyum hipoklorit dozlama için Seko dozlama pompası ve NaCl tuzlu su pompalamak için hava geçirmez şekilde kapatılmış Argal pompa
Sıvı klor klorlamanın tüm avantajlarını korurken, elektrolitik sodyum hipoklorit dekontaminasyonu, toksik gazın taşınması ve depolanmasındaki büyük zorlukları ortadan kaldırır.
Düşük konsantrasyonlu sodyum hipoklorit solüsyonlarının kullanılması, sıvı klor ve yüksek konsantrasyonlu sodyum hipoklorit solüsyonuna kıyasla su dezenfeksiyon üretim sürecinin güvenliğini arttırır.
Tuz, sodyum hipoklorit üretimi için hammaddedir. Reaktif doğrudan alındığı yerde kullanıldığından nakliyeye gerek yoktur.
Sodyum hipoklorit üretimi için teknolojik süreç aşağıdaki işlemleri içerir:
- Doymuş bir çözeltinin hazırlanması sofra tuzu.
- Elektroliz yoluyla sodyum hipoklorit elde etmek için ana işlem.
Bir sodyum klorür çözeltisinin elektrolizi sırasında aşağıdaki reaksiyonlar meydana gelir:
katotta: 2Na + + 2е→2Na;
2Na + 2H2O→2NaOH (sodyum hidroksit) + H2;
anotta: 2Cl - - 2е→Cl2;
Cl2 + 2H20 → 2HClO (hipokloröz asit) + HCl.
Genel reaksiyon şu şekilde temsil edilebilir:
NaCl + H 2 O → NaClO + H 2.
Sodyum hipokloritin oksidasyonu ve ardından klorit ve klorat oluşumu süreci, azalan sıcaklıkla yavaşladığından, elektroliz nispeten bir sıcaklıkta gerçekleştirilir. Düşük sıcaklıkçalışma tuzu çözeltisi (20–25 С°).
Tuz, yükleme cihazı aracılığıyla özel kaplara - doyuruculara dökülür. Düşük konsantrasyonlu sodyum hipoklorit çözeltilerinin üretimi için hammadde, en yüksek dereceli veya "Ekstra" gıda sofra tuzudur. Tuz tabakasından geçen dökülen su, doymuş bir sofra tuzu çözeltisi oluşturur.
Konsantre bir tuz çözeltisini saflaştırmak için kaba filtreler ve değiştirilebilir polipropilen kartuşlu 5 mikronluk ince filtreler kullanılır.
Seyreltmenin gerçekleştiği karıştırıcıya doymuş bir sofra tuzu çözeltisi pompalanır. musluk suyuçalışma konsantrasyonuna kadar (SanPiN 2.1.4.1074-01'e göre) ve sonra - elektrolizöre.
Elektroliz yoluyla sodyum hipoklorit elde etmenin ana işlemi, bir elektroliz banyosu ve bir ısı eşanjöründen oluşan tesislerde gerçekleştirilir. Isı eşanjörlerinde elektrolit yazın (musluk suyuyla) soğutulur ve kışın çalışma tuzu çözeltisi önceden ısıtılır.
Elektroliz banyolarında titanyum elektrotlar rutenyum ve iridyum dioksitlerle kaplanır. Elektroliz işleminde elektrotlarda kalsiyum ve magnezyum tortuları oluşur, bu nedenle periyodik olarak bu tortular oluştukça elektrolizörler kapalı bir devrede %4 hidroklorik asit çözeltisi (HCl) ile yıkanır.
Elektrolizörde, çalışma tuzu çözeltisinin sürekli elektrolizi gerçekleşir ve bunun sonucunda sodyum hipoklorit elde edilir. 2,5 m3/saat sabit hacim akış hızında %3'lük bir NaCl çözeltisi, istenen NaClO konsantrasyonuna (%0,8) ulaşılana kadar elektroliz tesisinden akar. Elektrolizörlerde oluşan sodyum hipoklorit, arıtma tesislerinin ihtiyaçları için rezerv sağlamak üzere özel tanklarda depolanır.
En az 8 g/l aktif klor konsantrasyonuna sahip sodyum hipoklorit, reaktif enjeksiyon noktalarının yakınında bulunan dozlama ünitelerine pompalandığı yerden depolama tankına girer. Tanklardan sodyum hipoklorit, bir boru hattı sistemi aracılığıyla, pompalar tarafından arıtılmış suya otomatik bir dozlama istasyonuna beslenir.
Çözüm
Düşük konsantrasyonlu sodyum hipoklorit çözeltilerinin kullanılması, su tesislerinde su arıtma işlemlerinin güvenliğini artırır.
Arıtılmış suyun düşük konsantrasyonlu sodyum hipoklorit (birinci aşama) ile dezenfeksiyonunun kombinasyonu ultraviyole ışınımışehir su şebekesine verilmeden önce (ikinci aşama), mikrobiyolojik göstergeler açısından su kalitesinin mevcut standartlara tam uygunluğunu ve yüksek epidemiyolojik güvenliğini garanti eder.
