Electrochimia proprietatilor electrolitice si electroliza

Reacțiile chimice dintre electroliți au o serie de caracteristici. Când soluțiile de clorură de sodiu și azotat de potasiu sunt drenate, se pot forma două săruri noi, clorură de potasiu și azotat de sodiu:

NaCI + KNO3 = KCI + NaN03.

Dacă scriem această reacție în formă ionică:

Na + + Cl- + K + + N03- = K + + Cl- + Na + + N03-,

atunci este ușor de observat că, deoarece existau soluții ionice în soluții înainte de a le amesteca, acestea au rămas după ce soluția sărurilor a fost drenată și nu s-a produs nicio reacție chimică între ioni. Este adevărat că, după evaporarea acestei soluții, obținem cristale ale tuturor celor patru săruri. Reacția dintre electroliți are loc în cazul în care oricare dintre produsele de reacție:

1) precipită:

2) se eliberează sub formă de gaz:

3) este un electrolit slab:

Teoria disocierii electrolitice ne permite să explicăm de ce soluțiile de săruri pot da un mediu neutru, acid sau alcalin.

Dacă sarea este formată dintr-o bază puternică și un acid puternic, atunci pH-ul său este de 7.

Dacă sarea este formată dintr-o bază puternică și un acid slab, atunci pH-ul ei> 7 - mediul este alcalin:

Dacă sarea este formată dintr-o bază slabă și un acid puternic, atunci pH-ul acesteia <7 - среда кислая:

NH4CI + H20 = NH4OH + Cl- + H +, NH4 + + H20 = NH4OH + H +.

Dacă sarea este formată dintr-o bază slabă și un acid slab, deseori nu numai în soluție, ci și în aer (în care vaporii de apă sunt întotdeauna prezenți) se prăbușește:

Teorii moderne de disociere electrolitică

Spre deosebire de Arrenusu care soluțiile considerate ca un amestec mecanic de ioni electrolitice cu molecule de apă, Mendeleev a vorbit de interacțiune chimică între solut și solvent, care se formează datorită „compus instabil în stare de disociere“. Teoria disocierii electrolitice a lui S. Arrenius a avut două dezavantaje semnificative. În primul rând, nu a indicat motivele pentru degradarea moleculelor neutre în ioni, adică au ignorat interacțiunea ionilor cu moleculele de apă, care sunt polari (dipoli). În al doilea rând, interacțiunea ion-ion în soluție nu a fost luată în considerare.

S-a stabilit acum că multe săruri au o latură cristalină ionică și constau din ioni gata făcuți în stare solidă, de exemplu, un cristal de NaCI este construit din ioni Na + și Cl-. Când se dizolvă clorura de sodiu, nu există nici o disociere a moleculelor neutre (așa cum scriem de obicei în manualele școlare), ci distrugerea rețelei cristaline. Costurile de energie pentru distrugerea rețelei cristaline sunt compensate de energia solvei (hidratării) ionilor de către moleculele solventului (apă). Atunci când gazul acid clorhidric este dizolvat în apă, interacțiunea chimică a moleculelor de HCI cu moleculele de apă are loc:

În acest caz, protonul trece de la molecula HCl la molecula de apă pentru a forma ionul hidroxoniu. In plus, ionii datorită interacțiunilor ion-dipol cu ​​moleculele de apa formeaza ionii hidratați H3O + și Cl-, în timp ce energia este eliberată și hidratarea compensată de energie 428 kJ / mol - energia atomilor de hidrogen și clor legarea în molecula HCl.

interacțiunea ion-ion în soluții electrolitice (în principal electroliti puternice) vă permite să creați o teorie cantitativă a conductivității electrice, se calculează coeficienții de activitate (studiul lor merge dincolo de cursul de chimie de școală).

Electroliza este procesul de descompunere a topiturilor sau a soluțiilor de electroliți sub acțiunea curentului electric constant. Reacțiile de oxidare-reducere asociate cu reculul sau atașarea electronilor în timpul electrolizei apar pe electrozii. Un electrod pozitiv, la care sunt adecvate anionii, se numește un anod, un electrod negativ, la care sunt potrivite cationii, se numește catod. Cum vor proceda procesele electrodului în timpul electrolizei depinde, în primul rând, de natura electrolitului, dacă electrolitul este sub formă de topitură sau soluția sa este folosită și pe materialul electrozilor.

Să luăm în considerare electroliza unei topituri de clorură de sodiu. La temperaturi ridicate, zăbrelele cristaline ale sării sunt distruse și se formează o topitură în care ionii se pot mișca liber: cationii Na + se vor deplasa la catod, iar anionii Cl la anod. La catodul (electrod încărcat negativ), cationii Na + atașează electroni (reducându-se), formând sodiu metalic:

Anodul (un electrod încărcat pozitiv) acționează în raport cu anionii clorului ca oxidant - îi îndepărtează pe ei de electroni:

Ecuația totală de electroliză:

Într-o soluție, de exemplu, clorură de sodiu, în plus față de ionii Na + și Cl, există, de asemenea, o cantitate mică de ioni, obținută prin disocierea apei:

În plus, moleculele de apă însele pot participa la procesul de electrod. Astfel, pe un electrod încărcat negativ (catod), moleculele de apă pot fi atașate de electroni:

Moleculele de apă la anod (un electrod încărcat pozitiv) pot fi date de electroni:

Deci, la catod în timpul electrolizei soluției de NaCl pot fi efectuate următoarele procese:

În primul rând, procesul care necesită un consum minim de energie (acest lucru corespunde potențialului negativ minim E). Deoarece soluția de NaCl are un pH de 7, adică [H +] = 1,10-7, atunci E pentru procesul de reducere a ionului de hidrogen va fi diferit de Eo (E = -0,413 V). Prin urmare, procesul trebuie să se desfășoare la catod:

Următoarele procese pot apărea la anod în timpul electrolizei soluției de NaCl:

În primul rând, se efectuează procesul care necesită cheltuieli minime de energie. În acest caz, clorul este eliberat la anod.

Procesul total de electroliză a soluției de clorură de sodiu arată astfel:

2H2O + 2NaCl = H2 + 2NaOH + Cl2.

De obicei, soluțiile de electroliză sunt ghidate de următoarele reguli.

Procese pe catod

1. În primul rând, se restabilește cationii metalici, care în seria electrochimică de solicitări sunt în dreapta hidrogenului.

2. În loc de cationii metalici care stau la stânga hidrogenului (de la Li + la Al3 + inclusiv), moleculele de apă vor fi restaurate (și ionii de hidrogen în mediu acid).

3. Metalele situate între aluminiu și hidrogen vor fi restaurate simultan cu moleculele de apă.

Procese pe anod

În acest caz, există o altă caracteristică suplimentară: este necesar să se țină cont de materialul fabricat din electrozi. Distingeți între electrozii inerți (insolubili) (grafit, platină) și electrozii activi (solubili).

1. în primul rând, anionii simpli (Cl-, Br-, I-, S2-) sunt oxidați.

2. În locul anionilor cu conținut de oxigen (CO3-, NO3-, SO42-, PO43-), moleculele de apă sunt oxidate pe anod.

3. În soluțiile alcaline, ionii de hidroxid sunt oxidați la anod:

Când se utilizează anozi solubili (Cu, Zn, Ag, Ni), electronii dau atomi de metal:

și cationii metal + Men + care rezultă în soluție.