ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ЭЛЕКТРОЛИЗ
Цель работы: ознакомление с процессами, протекающими на электродах при электролизе водных растворов электролитов.
Электролизом называют процессы, происходящие на электродах под воздействием электрического тока, подаваемого от внешнего источника. При электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую. Электролиз проводится в электролизерах, основными составными частями которых являются два электрода и ионный проводник (электролит) между ними. На отрицательном электроде электролизера (катоде) происходит процесс восстановления, на положительном электроде (аноде) окисление. На катоде в первую очередь идут процессы, характеризуемые наиболее положительным потенциалом, т.е. в первую очередь реагируют сильные окислители. На аноде в первую очередь идут процессы, характеризуемые наиболее отрицательным потенциалом, т.е. в первую очередь реагируют сильные восстановители. Некоторые аноды при электролизе не растворяются из-за положительного значения их равновесного потенциала или образования на поверхности защитных ленок. Примерами таких анодов могут быть платиновые металлы, графит, титан, тантал. В этом случае происходит электролиз с нерастворимым анодом.
Если потенциалы двух или нескольких электродных реакций равны, то эти реакции протекают на электроде одновременно. При этом прошедшее через электрод электричество расходуется на все эти реакции. Доля количества электричества, расходуемая на превращение одного из веществ (Вj), называется выходом по току этого вещества:
Вj=Qj100/Q,
где: Qj – количество электричества, израсходованное на превращение вещества; Q – общее количество электричества, прошедшего через раствор.
Теоретическое соотношение между количеством прошедшего электричества и количеством вещества, окисленного или восстановленного на электроде, определяется законом Фарадея, согласно которому при прохождении через электрод одного Фарадея электричества (F = 96500 Кл = 26,8 А´ч) на нем окисляется и восстанавливается 1 моль эквивалентов вещества. Например, если через электрод проходит 26,8 А´ ч электричества, то теоретически на электроде должен выделится 2 моль эквивалентов меди (63,54/2 = 31,77 г) по реакции:
Cu2+ + 2e Þ Cu0
или 1 моль эквивалентов кислорода (32/4 = 8 г)или ¼ моль т.е. 5,6 л. кислорода по реакции:
4OH- - 4e Þ O2 + 2H2O
Напряжение электролизера слагается из разности равновесных потенциалов электродов (ЭДС), поляризация катода и анода DE и омического падения в проводниках первого и второго рода I ´ (r1 + r2)
U = EЭ + DE + I ´ (r1 + r2)
Электролиз с нерастворимым анодом.
Электролиз с нерастворимым анодом проводится в приборе, состоящем и U - образной трубки и двух угольных электродов. Электроды закрепляются при помощи пробок. Источником тока служит выпрямитель (требуемое напряжение 12 В).
Опыт 1. Электролиз раствора сульфата меди (CuSO4).
Налейте в U - образную трубку 5% раствор сульфата меди (II). Вставьте в оба колена трубки угольные электроды. Присоедините электроды к источнику постоянного тока и пропускайте ток в течение 5-10 мин. затем выключите ток. Рассмотрите катод и убедитесь, что на нем выделилась медь. Составьте схему электролиза и уравнения реакции, протекающие на электродах.
Опыт 2. Электролиз раствора сульфата натрия(Na2SO4).
В U - образную трубку налейте 5% раствора сульфата натрия, к которому прибавлено несколько капель метилоранжа. Погрузите в трубку электроды. Включите ток и пропускайте
его в течение 5-10 мин. наблюдайте выделение пузырьков газа на электродах и изменение
окраски раствора. Составьте схему электролиза и уравнения реакции, протекающие на электродах.
Опыт 3. Электролиз раствора иодида калия (KI).
Налейте в U - образную трубку 5% раствор иодида калия, к которому прибавлено 3-4 капли раствора фенолфталеина. Вставьте в оба колена трубки угольные электроды. Включите ток и пропускайте его в течение 5-10 мин. наблюдайте выделение пузырьков газа и окрашивание раствора у катода.
Из анодного пространства возьмите пипеткой 2-3 капли раствора, перенесите их в пробирку и разбавьте дистиллированной водой до слабо желтой окраски. В пробирку добавьте 2-3 капли раствора крахмала. Что наблюдается?
Составьте схему электролиза и уравнения реакции, протекающих на электродах.
Составим схему электролиза и уравнения реакции для первого опыта.
Электролиз раствора сульфата меди 5%:
K(-): Cu2+ + 2e → Cu0
A(+): 2H2O - 4e → O2 + 4H+
Вывод: 2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + 2H2SO4 + O2
Визуально наблюдалось восстановление меди на катоде, на аноде выделение кислорода.
2. Составим схему электролиза и уравнения реакции для второго опыта.
Электролиз раствора сульфата натрия 5%:
K(-): 2H2O+2e→ H2 +2OH
A(+): 2H2O -4e→ O2 + 4H
Вывод: Na2SO4 + H2O→ H2 + O2 + 4NaOH + 2H2SO4
Визуально наблюдалось выделение водорода на катоде на аноде выделение кислорода. При добавлении метилоранжа в пробирку где находился катод наблюдалось изменение цвета раствора в желтый что указывает на щелочную среду. При добавлении метилоранжа в пробирку где находился анод наблюдалось изменение цвета раствора в красный что указывает на кислую среду
3. Составим схему электролиза и уравнения реакции для третьего опыта.
Электролиз раствора йодида калия 5%:
K(-): 2H2O + 2e → H2 + 2OH-
A(+): 2I- - 2e → I20
Вывод: 2KI + 2H2O → H2 + I2 + 2KOH
Визуально наблюдалось на катоде выделение водорода, на аноде раствор окрасился в коричневый цвет т.е. выделение йода при добавление крахмала раствор окрасился в синий цвет что подтверждает наличие выделение иода.
Вывод: При электролизе Na2SO4 выделяется кислород и вода. При электролизе CuSO4 выделяется медь и кислород. При электролизе KI происходит выделение йода и водорода.