Khi xem xét quá trình điện phân dung dịch nước, cần lưu ý rằng, ngoài các ion điện phân, trong bất kỳ dung dịch nước nào cũng có những ion là sản phẩm của sự phân ly của nước H + và OH –.

Trong điện trường, các ion hydro di chuyển về cực âm và các ion OH di chuyển về cực dương. Do đó, cả cation điện phân và cation hydro đều có thể phóng điện ở cực âm. Tương tự, ở cực dương, cả anion điện phân và ion hydroxit đều có thể được phóng điện. Ngoài ra, các phân tử nước cũng có thể trải qua quá trình oxy hóa hoặc khử điện hóa.

Loại quá trình điện hóa nào sẽ xảy ra ở các điện cực trong quá trình điện phân sẽ chủ yếu phụ thuộc vào giá trị tương đối của thế điện cực của hệ thống điện hóa tương ứng. Trong số một số quy trình có thể thực hiện được, quy trình có mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu sẽ được tiến hành. Điều này có nghĩa là dạng oxy hóa của hệ thống điện hóa có thế điện cực cao nhất sẽ bị khử ở cực âm và dạng khử của hệ thống có thế điện cực thấp nhất sẽ bị oxy hóa ở cực dương. Nói chung, những nguyên tử, phân tử và ion có điện thế thấp nhất trong những điều kiện nhất định sẽ dễ bị oxy hóa hơn ở cực dương và những ion, phân tử và nguyên tử có điện thế cao nhất sẽ được phục hồi dễ dàng hơn ở cực âm. Chúng ta hãy xem xét các quá trình catốt xảy ra trong quá trình điện phân dung dịch muối. Ở đây cần tính đến độ lớn thế điện cực của quá trình khử các ion hydro, điều này phụ thuộc vào nồng độ của các ion hydro. Chúng ta đã biết phương trình tổng quát của thế điện cực đối với điện cực hydro (Phần 2.3).

Trong trường hợp dung dịch trung tính (pH=7) thì giá trị thế điện cực của quá trình khử ion hydro là

φ = –0,059 . 7 = –0,41 V.

1) trong quá trình điện phân dung dịch muối chứa cation kim loại, có thế điện cực dương hơn đáng kể so với –0,41 V, kim loại sẽ bị khử khỏi dung dịch trung tính của chất điện phân đó ở cực âm. Những kim loại như vậy được tìm thấy trong dãy điện áp gần hydro (bắt đầu xấp xỉ từ và sau thiếc);

2) trong quá trình điện phân dung dịch muối chứa cation kim loại, điện thế âm hơn đáng kể so với – 0,41 V, kim loại sẽ không bị khử ở cực âm nhưng hydro sẽ được giải phóng. Những kim loại như vậy bao gồm kiềm, đất kiềm, magie, nhôm, cho đến titan;

3) trong quá trình điện phân dung dịch muối chứa cation kim loại có thế điện cực gần –0,41 V (các kim loại nằm ở giữa dãy - Zn, Cr, Fe, Cd, Ni), sau đó tùy thuộc vào nồng độ của dung dịch muối và các điều kiện điện phân (mật độ dòng điện, nhiệt độ, thành phần dung dịch), cả quá trình khử kim loại và sự sinh ra hydro đều có thể xảy ra; Đôi khi người ta quan sát thấy sự giải phóng chung của kim loại và hydro.

Sự phát triển điện hóa của hydro từ dung dịch axit xảy ra do sự phóng điện của các ion hydro:

2H + 2ē → 2Н 0

2H 0 = N 2 .

Trong trường hợp môi trường trung tính hoặc kiềm, sự giải phóng hydro xảy ra do quá trình khử điện hóa của nước:

НН + ē → Н 0 + Ngài –

N 0 + N 0 = N 2 ,

Sau đó 2НН + 2ē → Н 2 + 2OH –

Như vậy, bản chất của quá trình catốt trong quá trình điện phân dung dịch nước được xác định chủ yếu bởi vị trí của kim loại tương ứng trong dãy thế điện cực chuẩn của kim loại.

Nếu điện phân dung dịch nước chứa cation của các kim loại khác nhau, thì theo quy luật, sự giải phóng chúng ở cực âm sẽ diễn ra theo thứ tự giảm dần giá trị đại số của thế điện cực của kim loại. Ví dụ, từ hỗn hợp các cation Ag+, Cu 2+ và Zn 2+, với điện áp đủ ở các cực của máy điện phân, các cation bạc trước tiên sẽ bị khử (φ 0 = +0,8 V), sau đó là đồng (φ 0 = +0,34). V) và cuối cùng là kẽm (φ 0 = –0,76 V).

Tách điện hóa kim loại khỏi hỗn hợp cation được sử dụng trong kỹ thuật và phân tích định lượng. Nói chung, khả năng phóng điện (thu electron) của các ion kim loại được xác định bởi vị trí của các kim loại trong dãy thế điện cực chuẩn. Kim loại càng ở phía bên trái trong chuỗi điện áp, điện thế âm của nó càng lớn hoặc điện thế dương càng nhỏ thì các ion của nó càng khó phóng điện. Như vậy, trong số các ion kim loại đứng trong dãy điện áp, các ion vàng hóa trị ba dễ bị phóng điện nhất (ở điện áp dòng điện thấp nhất), sau đó là các ion bạc, v.v.. Ion kali khó phóng điện nhất (ở điện áp cao nhất). Nhưng thế năng của một kim loại, như đã biết, thay đổi tùy thuộc vào nồng độ các ion của nó trong dung dịch; Tương tự như vậy, mức độ dễ dàng phóng điện của các ion của từng kim loại thay đổi tùy theo nồng độ của chúng: nồng độ tăng tạo điều kiện cho việc phóng ion, giảm thì khó khăn hơn. Do đó, trong quá trình điện phân dung dịch chứa ion của một số kim loại, có thể sự giải phóng kim loại hoạt động mạnh hơn sẽ xảy ra sớm hơn sự giải phóng kim loại kém hoạt động hơn (nếu nồng độ của ion kim loại thứ nhất lớn và thứ hai là rất nhỏ).

Chúng ta hãy xem xét các quá trình anốt xảy ra trong quá trình điện phân dung dịch muối. Bản chất của các phản ứng xảy ra ở cực dương phụ thuộc cả vào sự có mặt của các phân tử nước và chất tạo ra cực dương. Cần lưu ý rằng vật liệu làm cực dương có thể bị oxy hóa trong quá trình điện phân. Về vấn đề này, có sự khác biệt giữa điện phân với cực dương trơ ​​(không hòa tan) và điện phân với cực dương hoạt động (hòa tan). Cực dương không hòa tan được làm từ than đá, than chì, bạch kim, iridium; cực dương hòa tan - làm bằng đồng, bạc, kẽm, cadmium, niken và các kim loại khác. Ở cực dương không hòa tan, trong quá trình điện phân xảy ra quá trình oxy hóa các anion hoặc phân tử nước. Trong quá trình điện phân dung dịch axit không có oxy HI, HBr, HCl, H 2 Si và muối của chúng (trừ HF và florua), các anion được phóng điện ở cực dương và halogen tương ứng được giải phóng. Lưu ý rằng sự giải phóng clo trong quá trình điện phân HCl và muối của nó mâu thuẫn với vị trí tương đối của các hệ

2Cl – – 2ē →Cl 2 (φ 0 = +1,36 V)

2 H 2 ồ– 4ē →ồ 2 + 4 H + (φ 0 = +1,23 V)

nằm trong khoảng thế điện cực tiêu chuẩn. Sự bất thường này có liên quan đến sự quá điện áp đáng kể của quá trình thứ hai trong số hai quá trình điện cực này - vật liệu làm cực dương có tác dụng ức chế quá trình giải phóng oxy.

Trong quá trình điện phân dung dịch muối chứa anion SO 4 2-, SO 3 2-, NO 3 -, PO 4 3-, v.v., cũng như hydro florua và florua, quá trình oxy hóa điện hóa của nước xảy ra. Tùy thuộc vào độ pH của dung dịch, quá trình này xảy ra khác nhau và có thể được viết bằng các phương trình khác nhau. Trong môi trường kiềm phương trình có dạng

4OH – – 4ē → 2H 2 O+O 2 , (pH > 7)

và trong môi trường axit hoặc trung tính chúng ta có

HOH– 2ē →ồ 0 + 2 H + (pH ≤ 7)

2 ồ 0 = ồ 2 ,

Sau đó 2H 2 О – 4ē → 4Н + + 2О 2 .

Trong các trường hợp đang được xem xét, quá trình oxy hóa điện hóa của nước là quá trình thuận lợi nhất về mặt năng lượng. Quá trình oxy hóa các anion chứa oxy xảy ra ở thế năng rất cao. Ví dụ, thế oxy hóa tiêu chuẩn của SO 4 2- ion – 2ē →S 2 O 8 2- là 2,01 V, cao hơn đáng kể so với thế oxy hóa tiêu chuẩn của nước là 1,228 V.

2H 2 O – 4ē → O 2 + 4H + (φ 0 = 1,228V).

Thế oxy hóa tiêu chuẩn của ion F thậm chí còn quan trọng hơn

2F – – 2ē →F 2 (φ 0 = 2 ,87 TRONG).

Nói chung, trong quá trình điện phân dung dịch muối, các cation kim loại và hydro đồng thời tiếp cận cực âm của máy điện phân và mỗi trong số chúng “tuyên bố” sẽ bị khử bởi các electron phát ra từ cực âm. Quá trình khử thực sự sẽ diễn ra như thế nào ở cực âm? Câu trả lời có thể có được dựa trên một số ứng suất kim loại. Hơn nữa, giá trị đại số của thế điện cực chuẩn của kim loại càng thấp thì các cation của chúng càng yếu thì chất nhận điện tử của chúng càng yếu và càng khó khôi phục chúng ở cực âm. Về vấn đề này, ba nhóm cation được phân biệt theo mối quan hệ của chúng với hiện tượng điện hóa.

1. Các cation có hoạt tính hút electron cao (Cu 2+, Hg 2+, Ag+, Au 3+, Pt 2+, Pt 4+). Trong quá trình điện phân muối của các cation này, cation kim loại gần như bị khử hoàn toàn; đầu ra hiện tại là 100% hoặc một giá trị gần với nó.

2. Các cation được đặc trưng bởi giá trị trung bình của khả năng hút electron (Mn 2+, Zn 2+, Cr 3+, Fe 2+, Ni 2+, Sn 2+, Pb 2+). Trong quá trình điện phân ở cực âm, cation của cả phân tử kim loại và nước đều bị khử đồng thời, dẫn đến dòng điện phát ra của kim loại giảm.

3. Các cation có khả năng hút electron thấp (K+, Ca 2+, Mg 2+, Al 3+). Trong trường hợp này, chất nhận điện tử ở cực âm không phải là cation của nhóm đang xét mà là các phân tử nước. Trong trường hợp này, bản thân các cation không thay đổi trong dung dịch nước và hiệu suất hiện tại gần bằng không.

Mối liên hệ của các anion khác nhau với quá trình oxy hóa điện ở cực dương

Anion của axit không có oxy và muối của chúng (Cl¯,Br¯,J¯,S2-,CN¯, v.v.) giữ các electron của chúng yếu hơn các phân tử nước. Do đó, trong quá trình điện phân dung dịch nước của các hợp chất chứa các anion này sẽ đóng vai trò là chất cho điện tử; chúng sẽ oxy hóa và chuyển electron của chúng ra mạch ngoài của máy điện phân.

Anion của axit oxy (NO 3 ¯, SO 4 2-, PO 4 3-, v.v.) có khả năng giữ electron của chúng chắc chắn hơn các phân tử nước. Trong trường hợp này, nước bị oxy hóa ở cực dương, nhưng bản thân các anion vẫn không thay đổi.

Trong trường hợp cực dương hòa tan, số quá trình oxy hóa tăng lên ba:

1) quá trình oxy hóa điện hóa của nước bằng cách giải phóng oxy; 2) sự phóng điện của anion (tức là quá trình oxy hóa của nó); 3) quá trình oxy hóa điện hóa của kim loại cực dương (sự hòa tan anốt của kim loại).

Trong số các quá trình có thể xảy ra, quá trình thuận lợi nhất về mặt năng lượng sẽ diễn ra. Nếu kim loại cực dương nằm trong một dãy điện thế tiêu chuẩn sớm hơn cả hai hệ thống điện hóa khác thì sự hòa tan anốt của kim loại sẽ được quan sát thấy. Nếu không, oxy sẽ được giải phóng hoặc anion sẽ được giải phóng. Không có trình tự chặt chẽ nào được thiết lập để giải phóng anion. Bằng cách giảm khả năng nhường electron, các anion phổ biến nhất được sắp xếp như sau: S 2-,J ¯,Br ¯,Cl ¯,OH¯,H 2 O,SO 4 2-,NO 3 ¯,CO 3 2-, PO 4 3- .

Chúng ta hãy xem xét một số trường hợp điển hình của điện phân dung dịch nước.

Điện phân dung dịch CuCl2 với cực dương không tan

Trong dãy điện áp, đồng nằm sau hydro nên Cu 2+ sẽ phóng điện ở cực âm và đồng kim loại sẽ thoát ra, còn ion clorua sẽ bị oxy hóa ở cực dương thành phân tử clo Cl 2.

	Cực âm (-)
	Cư 2+ + 2ē → Cu 0
	2Cl – – 2ē → Cl 2

Cư 2+ + 2 Cl – → Cư 0 + Cl 2

CuCl 2 → Cư 0 + Cl 2

Hiệu suất dòng kim loại (95-100%).

Điện phân dung dịch NaNO3

Vì natri sớm hơn nhiều so với hydro trong dãy điện áp nên nước sẽ phóng điện ở cực âm. Nước cũng sẽ phóng điện ở cực dương.

Cực âm (-)

2 H 2 ồ+ 2ē →H 2 + 2 Ồ –

2H 2 O – 4ē → 4H + + Ô 2 .

Như vậy, hydro thoát ra ở cực âm và tạo ra môi trường kiềm, oxy thoát ra ở cực dương và tạo ra môi trường axit gần cực dương. Nếu không gian cực dương và cực âm không tách rời nhau thì dung dịch ở tất cả các bộ phận của nó sẽ trung hòa về điện.

	Cực âm (-)
	2 H 2 ồ+ 2ē →H 2 + 2 Ồ –
	2H 2 O – 4ē → 4H + + Ô 2 .

6H 2 O → 2H 2 + 4OH – + 4H + + Ô 2

6H 2 O → 2H 2 + Ô 2 + 4H 2 ồ

2 H 2 ồ → 2 H 2 + ồ 2

Dòng điện ra của kim loại bằng không.

Vì vậy, trong quá trình điện phân dung dịch NaNO 3 sẽ xảy ra hiện tượng điện phân nước. Vai trò của muối NaNO 3 giảm đi làm tăng tính dẫn điện của dung dịch.

Điện phân dung dịch FeSO 4

Phản ứng ở cực âm (-) (khử):

MỘT) Fe 2+ + 2ē → Fe 0	phản ứng đồng thời
b) 2 H 2 ồ+ 2ē →H 2 + 2 Ồ – .

Phản ứng ở anot (+) (oxy hóa):

2H 2 O – 4ē → 4H + + Ô 2 .

Sản lượng hiện tại của kim loại là trung bình.

Điện phân dung dịch KJ với anot không tan

	Cực âm (-)
	2 H 2 ồ+ 2ē →H 2 + 2 Ồ –
	2J – – 2ē → J 2

2 H 2 ồ + 2J – → H 2 + 2 Ồ – + J 2 .

Phương trình cuối cùng của phản ứng điện phân dung dịch KJ là:

2KJ+2H 2 O → H 2 + J 2 +2KOH.

Điện phân dung dịch CuSO 4 với cực dương đồng (hòa tan).

Điện thế tiêu chuẩn của đồng là +0,337 V, cao hơn đáng kể so với -0,41 V; do đó, trong quá trình điện phân dung dịch CuSO 4 ở catot, ion Cu 2+ bị phóng điện và giải phóng đồng kim loại. Ở cực dương, quá trình ngược lại xảy ra - quá trình oxy hóa kim loại, vì thế năng oxy hóa của đồng nhỏ hơn nhiều so với thế năng oxy hóa của nước (+1,228 V), và thậm chí còn hơn thế - thế năng oxy hóa của ion SO 4 2- ( +2,01V). Do đó, trong trường hợp này, quá trình điện phân nhằm hòa tan kim loại (đồng) của cực dương và tách nó ra ở cực âm.

Sơ đồ điện phân dung dịch đồng sunfat:

Cực âm (-)

Cư 2+ + 2ē → Cu 0

Cư 0 – 2ē → Cu 2+ .

Quá trình này được sử dụng để tinh chế kim loại bằng điện (gọi là tinh chế điện phân).

ĐIỆN PHÂN

Một trong những phương pháp sản xuất kim loại là điện phân. Kim loại hoạt động chỉ tồn tại trong tự nhiên ở dạng hợp chất hóa học. Làm thế nào để cô lập các hợp chất này ở trạng thái tự do?

Dung dịch và chất điện phân tan chảy sẽ dẫn dòng điện. Tuy nhiên, khi dòng điện chạy qua dung dịch điện phân, phản ứng hóa học có thể xảy ra. Chúng ta hãy xem điều gì sẽ xảy ra nếu đặt hai tấm kim loại vào dung dịch hoặc làm tan chảy chất điện phân, mỗi tấm được nối với một trong các cực của nguồn dòng điện. Những tấm này được gọi là điện cực. Dòng điện là dòng chuyển động của các electron. Khi các electron trong mạch di chuyển từ điện cực này sang điện cực khác, lượng electron dư thừa sẽ xuất hiện ở một trong các điện cực. Electron mang điện tích âm nên điện cực này mang điện tích âm. Nó được gọi là cực âm. Sự thiếu hụt electron được tạo ra ở điện cực kia và nó trở nên tích điện dương. Điện cực này được gọi là cực dương. Chất điện phân trong dung dịch hoặc tan chảy sẽ phân ly thành các ion - cation tích điện dương và các ion - anion tích điện âm. Các cation bị hút vào điện cực âm - cực âm. Anion bị thu hút bởi một điện cực tích điện dương - cực dương. Trên bề mặt điện cực có thể xảy ra tương tác giữa các ion và electron.

Điện phân đề cập đến các quá trình xảy ra khi dòng điện đi qua dung dịch hoặc làm tan chảy chất điện phân.

Các quá trình xảy ra trong quá trình điện phân dung dịch và làm tan chảy chất điện phân khá khác nhau. Chúng ta hãy xem xét cả hai trường hợp này một cách chi tiết.

Điện phân nóng chảy

Ví dụ, hãy xem xét quá trình điện phân nóng chảy natri clorua. Khi tan chảy, natri clorua phân ly thành các ion Na+
và Cl - : NaCl = Na + + Cl -

Các cation natri di chuyển lên bề mặt của điện cực tích điện âm - cực âm. Có sự dư thừa electron trên bề mặt cực âm. Do đó, các electron được chuyển từ bề mặt điện cực sang ion natri. Trong trường hợp này, các ion Na+ chuyển thành nguyên tử natri, nghĩa là xảy ra sự khử cation Na+ . Phương trình quá trình:

Na ++ e - = Na

Ion clorua Cl - di chuyển đến bề mặt của điện cực tích điện dương - cực dương. Sự thiếu electron được tạo ra trên bề mặt cực dương và các electron được chuyển từ anion Cl- lên bề mặt điện cực. Đồng thời, các ion mang điện tích âm Cl- được chuyển hóa thành các nguyên tử clo, các nguyên tử này ngay lập tức kết hợp lại tạo thành các phân tử clo C tôi 2:

2С l - -2е - = Cl 2

Các ion clorua mất electron, nghĩa là chúng bị oxy hóa.

Hãy cùng nhau viết các phương trình của các quá trình xảy ra ở cực âm và cực dương

Na ++ e - = Na

2 C l - -2 e - = Cl 2

Một electron tham gia vào quá trình khử cation natri và 2 electron tham gia vào quá trình oxy hóa các ion clo. Tuy nhiên, định luật bảo toàn điện tích phải được tuân thủ, tức là tổng điện tích của tất cả các hạt trong dung dịch phải không đổi, do đó số electron tham gia vào quá trình khử cation natri phải bằng số electron. tham gia vào quá trình oxy hóa các ion clorua Do đó, chúng tôi nhân phương trình đầu tiên với 2:

Na ++ + e - = Na 2

2С l - -2е - = Cl 2 1

Hãy cộng cả hai phương trình lại với nhau và thu được phương trình phản ứng tổng quát.

2 Na + + 2С l - = 2 Na + Cl 2 (phương trình phản ứng ion), hoặc

2 NaCl = 2 Na + Cl 2 (phương trình phản ứng phân tử)

Vì vậy, trong ví dụ đã xem xét, chúng ta thấy rằng điện phân là phản ứng oxi hóa khử. Ở cực âm, xảy ra quá trình khử các ion tích điện dương - cation - và ở cực dương, quá trình oxy hóa các ion tích điện âm - anion. Bạn có thể nhớ quá trình nào xảy ra khi sử dụng “quy tắc T”:

cathode - cation - khử.

Ví dụ 2.Điện phân natri hydroxit nóng chảy.

Natri hydroxit trong dung dịch phân ly thành cation và ion hydroxit.

Cực âm (-)<-- Na + + OH - à Анод (+)

Trên bề mặt cực âm, cation natri bị khử và các nguyên tử natri được hình thành:

cực âm (-) Na + +e à Na

Trên bề mặt cực dương, các ion hydroxit bị oxy hóa, oxy được giải phóng và các phân tử nước được hình thành:

cực âm (-) Na + + e à Na

cực dương (+)4 OH - – 4 e à 2 H 2 O + O 2

Số lượng electron tham gia vào phản ứng khử cation natri và phản ứng oxy hóa ion hydroxit phải bằng nhau. Do đó, hãy nhân phương trình đầu tiên với 4:

cực âm (-) Na + + e à Na 4

cực dương (+)4 OH - – 4 e à 2 H 2 O + O 2 1

Hãy cộng cả hai phương trình lại với nhau và thu được phương trình phản ứng điện phân:

4 NaOH à 4 Na + 2 H 2 O + O 2

Ví dụ 3.Hãy xem xét sự điện phân của nóng chảy Al2O3

Sử dụng phản ứng này, nhôm thu được từ bauxite, một hợp chất tự nhiên chứa nhiều oxit nhôm. Nhiệt độ nóng chảy của nhôm oxit rất cao (hơn 2000° C) nên các chất phụ gia đặc biệt được thêm vào để hạ nhiệt độ nóng chảy xuống 800-900° C. Trong quá trình nóng chảy, nhôm oxit phân ly thành các ion Al 3+ và O 2- . H và cation bị khử ở cực âm Al 3+ , biến thành nguyên tử nhôm:

Al +3 e à Al

Anion bị oxy hóa ở cực dương O2- , biến thành nguyên tử oxy. Các nguyên tử oxy ngay lập tức kết hợp thành phân tử O2:

2 O 2- – 4 e à O 2

Số lượng electron tham gia vào quá trình khử cation nhôm và quá trình oxy hóa ion oxy phải bằng nhau, vì vậy hãy nhân phương trình thứ nhất với 4 và phương trình thứ hai với 3:

Al 3+ +3 e à Al 0 4

2 O 2- – 4 e à O 2 3

Hãy cộng cả hai phương trình và nhận được

4 Al 3+ + 6 O 2- à 4 Al 0 +3 O 2 0 (phương trình phản ứng ion)

2 Al 2 O 3 à 4 Al + 3 O 2

Điện phân các dung dịch

Trong trường hợp cho dòng điện chạy qua dung dịch điện phân nước, vấn đề trở nên phức tạp vì dung dịch có chứa các phân tử nước, những phân tử này cũng có thể tương tác với các electron. Hãy nhớ lại rằng trong phân tử nước, các nguyên tử hydro và oxy được kết nối bằng liên kết cộng hóa trị có cực. Độ âm điện của oxy lớn hơn hydro nên các cặp electron dùng chung thiên về nguyên tử oxy. Một điện tích âm một phần xuất hiện trên nguyên tử oxy, ký hiệu là δ-, và một phần điện tích dương xuất hiện trên các nguyên tử hydro, ký hiệu là δ+.

δ+

N-O δ-

│

H δ+

Do sự dịch chuyển điện tích này, phân tử nước có các “cực” dương và âm. Do đó, các phân tử nước có thể bị hút bởi cực tích điện dương đến điện cực tích điện âm - cực âm và cực âm - đến điện cực tích điện dương - cực dương. Ở cực âm, sự khử của các phân tử nước có thể xảy ra và hydro được giải phóng:

Ở cực dương, quá trình oxy hóa các phân tử nước có thể xảy ra, giải phóng oxy:

2 H 2 O - 4e - = 4H + + O 2

Do đó, các cation điện phân hoặc phân tử nước có thể bị khử ở cực âm. Hai quá trình này dường như cạnh tranh với nhau. Quá trình nào thực sự xảy ra ở cực âm phụ thuộc vào bản chất của kim loại. Các cation kim loại hay phân tử nước sẽ bị khử ở cực âm hay không phụ thuộc vào vị trí của kim loại trong phạm vi ứng suất kim loại .

Li K Na Ca Mg Al ¦¦ Zn Fe Ni Sn Pb (H 2) ¦¦ Cu Hg Ag Au

Nếu kim loại nằm trong dãy điện áp bên phải hydro thì cation kim loại bị khử ở cực âm và kim loại tự do được giải phóng. Nếu kim loại nằm trong dãy điện áp bên trái của nhôm thì các phân tử nước bị khử ở cực âm và hydro được giải phóng. Cuối cùng, trong trường hợp các cation kim loại từ kẽm thành chì, quá trình tiến hóa kim loại hoặc tiến hóa hydro có thể xảy ra, và đôi khi cả quá trình tiến hóa hydro và kim loại có thể xảy ra đồng thời. Nói chung, đây là một trường hợp khá phức tạp; phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện phản ứng: nồng độ dung dịch, dòng điện và các yếu tố khác.

Một trong hai quá trình cũng có thể xảy ra ở cực dương - quá trình oxy hóa các anion điện phân hoặc quá trình oxy hóa các phân tử nước. Quá trình nào thực sự xảy ra phụ thuộc vào bản chất của anion. Trong quá trình điện phân muối của axit không có oxy hoặc của chính axit, các anion bị oxy hóa ở cực dương. Ngoại lệ duy nhất là ion florua F- . Trong trường hợp axit chứa oxy, các phân tử nước bị oxy hóa ở cực dương và oxy được giải phóng.

Ví dụ 1.Chúng ta hãy xem xét quá trình điện phân dung dịch natri clorua.

Dung dịch natri clorua trong nước sẽ chứa cation natri Na+, anion clo Cl - và phân tử nước.

2 NaCl à 2 Na + + 2 Cl -

2H 2 O à 2 H + + 2 OH -

cực âm (-) 2 Na + ; 2H+; 2Н + + 2е à Н 0 2

cực dương (+) 2 Cl - ; 2 OH - ; 2 Cl - – 2е à 2 Cl 0

2NaCl + 2H 2 O à H 2 + Cl 2 + 2NaOH

Hóa chất hoạt động anion khó có thể xảy ra giảm đi.

Ví dụ 2.Và nếu muối chứa SO 4 2- ? Chúng ta hãy xem xét quá trình điện phân dung dịch niken sunfat ( II ). Niken sunfat ( II ) phân ly thành ion Ni 2+ và SO 4 2-:

NiSO 4 à Ni 2+ + SO 4 2-

H 2 O à H + + OH -

Cation niken nằm giữa các ion kim loại Al 3+ và Pb 2+ , chiếm vị trí chính giữa trong chuỗi điện áp, quá trình phục hồi ở cực âm xảy ra theo cả hai sơ đồ:

2H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH -

Anion của axit chứa oxy không bị oxy hóa ở cực dương ( chuỗi hoạt động anion ), quá trình oxy hóa các phân tử nước xảy ra:

cực dương e à O 2 + 4H +

Chúng ta hãy cùng nhau viết các phương trình của các quá trình xảy ra ở cực âm và cực dương:

cực âm (-) Ni 2+ ; H+; Ni 2+ + 2е à Ni 0

2H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH -

cực dương (+) SO 4 2- ; OH - ;2H 2 O – 4 e à O 2 + 4H +

4 electron tham gia vào quá trình khử và 4 electron cũng tham gia vào quá trình oxy hóa. Hãy cộng các phương trình này lại với nhau và thu được phương trình phản ứng tổng quát:

Ni 2+ +2 H 2 O + 2 H 2 O à Ni 0 + H 2 + 2OH - + O 2 + 4 H +

Ở vế phải của phương trình có cả H + vàỒ- , kết hợp với nhau tạo thành các phân tử nước:

H ++ OH - à H 2 O

Do đó, ở vế phải của phương trình, thay vì 4 ion H+ và 2 ionỒ- Hãy viết 2 phân tử nước và 2 ion H+:

Ni 2+ +2 H 2 O + 2 H 2 O à Ni 0 + H 2 +2 H 2 O + O 2 + 2 H +

Hãy giảm hai phân tử nước ở cả hai vế của phương trình:

Ni 2+ +2 H 2 O à Ni 0 + H 2 + O 2 + 2 H +

Đây là một phương trình ion ngắn. Để có được phương trình ion hoàn chỉnh, bạn cần thêm ion sunfat vào cả hai vế SO 4 2- , được hình thành trong quá trình phân ly niken sunfat ( II ) và không tham gia phản ứng:

Ni 2+ + SO 4 2- +2H 2 O à Ni 0 + H 2 + O 2 + 2H + + SO 4 2-

Như vậy, trong quá trình điện phân dung dịch niken sunfat ( II ) hydro và niken được giải phóng ở cực âm và oxy ở cực dương.

NiSO 4 + 2H 2 O à Ni + H 2 + H 2 SO 4 + O 2

Ví dụ 3. Viết phương trình các quá trình xảy ra trong quá trình điện phân dung dịch natri sunfat với cực dương trơ.

Tiềm năng hệ thống điện cực tiêu chuẩn Na + + e = Na 0 âm hơn đáng kể so với điện thế của điện cực nước trong môi trường nước trung tính (-0,41 V). Do đó, sự khử điện hóa của nước sẽ xảy ra ở cực âm, kèm theo sự giải phóng hydro.

2H 2 O à 2 H + + 2 OH -

và ion Na + khi tiến tới catot sẽ tích tụ ở phần dung dịch liền kề (không gian catot).

Quá trình oxy hóa điện hóa của nước sẽ xảy ra ở cực dương dẫn đến giải phóng oxy

2 H 2 O – 4е à O 2 + 4 H +

kể từ khi tương ứng với hệ thống này thế điện cực chuẩn (1,23 V) thấp hơn đáng kể so với thế điện cực tiêu chuẩn (2,01 V) đặc trưng cho hệ thống

2 SO 4 2- + 2 e = S 2 O 8 2- .

ion SO 4 2- di chuyển về phía cực dương trong quá trình điện phân sẽ tích tụ trong không gian cực dương.

Nhân phương trình của quá trình catốt với hai và cộng nó với phương trình của quá trình anốt, ta thu được phương trình tổng của quá trình điện phân:

6 H 2 O = 2 H 2 + 4 OH - + O 2 + 4 H +

Xét đến sự tích lũy đồng thời của các ion trong không gian catốt và các ion trong không gian anot xảy ra, phương trình tổng thể của quá trình có thể được viết dưới dạng sau:

6H 2 O + 2Na 2 SO 4 = 2H 2 + 4Na + + 4OH - + O 2 + 4H + + 2SO 4 2-

Do đó, đồng thời với việc giải phóng hydro và oxy, natri hydroxit (trong không gian cực âm) và axit sulfuric (trong không gian cực dương) được hình thành.

Ví dụ 4.Điện phân dung dịch đồng sunfat ( II) CuSO4 .

Cực âm (-)<-- Cu 2+ + SO 4 2- à анод (+)

cực âm (-) Cu 2+ + 2e à Cu 0 2

cực dương (+) 2H 2 O – 4 e à O 2 + 4H + 1

Ion H+ còn lại trong dung dịch SO 4 2- , vì axit sunfuric tích tụ.

2CuSO 4 + 2H 2 O à 2Cu + 2H 2 SO 4 + O 2

Ví dụ 5. Điện phân dung dịch đồng clorua ( II) CuCl2.

Cực âm (-)<-- Cu 2+ + 2Cl - à анод (+)

cực âm (-) Cu 2+ + 2e à Cu 0

cực dương (+) 2Cl - – 2e à Cl 0 2

Cả hai phương trình đều liên quan đến hai electron.

Cu 2+ + 2e à Cu 0 1

2Cl - ---– 2e à Cl 2 1

Cu 2+ + 2 Cl - à Cu 0 + Cl 2 (phương trình ion)

CuCl 2 à Cu + Cl 2 (phương trình phân tử)

Ví dụ 6. Điện phân dung dịch bạc nitrat AgNO3.

Cực âm (-)<-- Ag + + NO 3 - à Анод (+)

cực âm (-) Ag + + e à Ag 0

cực dương (+) 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 + + ồ 2 (phương trình ion)

4 Ag + + 2 H 2 ồà 4 Ag 0 + 4 H + + ồ 2 + 4 KHÔNG 3 - (phương trình ion đầy đủ)

4 AgNO 3 + 2 H 2 ồà 4 Ag 0 + 4 HNO 3 + ồ 2 (phương trình phân tử)

Ví dụ 7. Điện phân dung dịch axit clohiđricHCl.

Cực âm (-)<-- H + + Cl - à cực dương (+)

cực âm (-) 2H + + 2 eà H 2

cực dương (+) 2Cl - – 2 eà Cl 2

2 H + + 2 Cl - à H 2 + Cl 2 (phương trình ion)

2 HClà H 2 + Cl 2 (phương trình phân tử)

Ví dụ 8. Điện phân dung dịch axit sunfuricH 2 VÌ THẾ 4 .

cực âm (-) <-- 2H + + SO 4 2- à cực dương (+)

cực âm (-)2H+ + 2eà H2

cực dương(+) 2H 2 O – 4eà O2 + 4H+

2H+ + 2eà H 2 2

2H 2 O – 4eà O2 + 4H+1

4H+ + 2H2Oà 2H 2 + 4H+ +O 2

2H2Oà 2H2 + O2

Ví dụ 9. Điện phân dung dịch kali hydroxitKOH.

Cực âm (-)<-- K + + Ồ - à cực dương (+)

Các cation kali sẽ không bị khử ở cực âm, vì kali nằm trong dãy điện áp của các kim loại ở bên trái nhôm, nên sự khử của các phân tử nước sẽ xảy ra:

2H 2 O + 2eà H2 +2OH - 4OH - -4eà 2H 2 O + O 2

cực âm(-) 2H 2 O + 2eà H2 +2OH - 2

cực dương(+) 4OH - - 4eà 2H 2 O + O 2 1

4H 2 O + 4OH -à 2H 2 + 4OH - + 2H 2 O + O 2

2 H 2 ồà 2 H 2 + ồ 2

Ví dụ 10. Điện phân dung dịch kali nitratKNO 3 .

cực âm (-) <-- K + + NO 3 - à cực dương (+)

2H 2 O + 2eà H 2 +2OH - 2H 2 O – 4eà O2+4H+

cực âm(-) 2H 2 O + 2eà H2+2OH-2

cực dương(+) 2H 2 O – 4eà O2 + 4H+1

4H 2 O + 2H 2 Oà 2H 2 + 4OH - + 4H ++ O2

2H2Oà 2H2 + O2

Khi cho dòng điện chạy qua dung dịch axit chứa oxy, kiềm và muối của axit chứa oxy với các kim loại nằm trong dãy điện áp của kim loại về bên trái của nhôm thì thực tế xảy ra hiện tượng điện phân nước. Trong trường hợp này, hydro được giải phóng ở cực âm và oxy ở cực dương.

Kết luận. Khi xác định sản phẩm điện phân của dung dịch nước của chất điện phân, trong những trường hợp đơn giản nhất, người ta có thể dựa vào các lưu ý sau:

1. Các ion kim loại có giá trị đại số nhỏ của thế chuẩn - từLý + trướcAl 3+ bao gồm - có xu hướng rất yếu trong việc thêm lại các electron, kém hơn về mặt này so với các ionH + (cm. Chuỗi hoạt động cation). Trong quá trình điện phân dung dịch nước của các hợp chất chứa các cation này, các ion thực hiện chức năng của tác nhân oxy hóa ở cực âmH + , khôi phục theo sơ đồ:

2 H 2 ồ+ 2 eà H 2 + 2OH -

2. Cation kim loại có giá trị dương thế chuẩn (Cư 2+ , Ag + , Hg 2+ v.v.) có xu hướng thêm electron nhiều hơn so với các ion. Trong quá trình điện phân dung dịch nước của muối của chúng, chức năng của chất oxy hóa ở cực âm được giải phóng bởi các cation này, đồng thời bị khử thành kim loại theo sơ đồ, ví dụ:

Cư 2+ +2 eà Cư 0

3. Trong quá trình điện phân dung dịch muối kim loạiZn, Fe, Đĩa CD, Niv.v., chiếm vị trí chính giữa trong chuỗi điện áp giữa các nhóm được liệt kê, quá trình khử ở cực âm xảy ra theo cả hai sơ đồ. Khối lượng của kim loại được giải phóng trong những trường hợp này không tương ứng với lượng dòng điện chạy qua, một phần trong số đó được dùng để tạo thành hydro.

4. Trong dung dịch nước của chất điện giải, các anion đơn nguyên tử (Cl - , anh - , J - ), các anion chứa oxy (KHÔNG 3 - , VÌ THẾ 4 2- , P.O. 4 3- và những loại khác), cũng như các ion hydroxyl của nước. Trong số này, các ion halogenua có tính khử mạnh hơn, ngoại trừF. IonỒchiếm vị trí trung gian giữa chúng và các anion đa nguyên tử. Vì vậy, trong quá trình điện phân dung dịch nướcHCl, HBr, H.J.hoặc muối của chúng ở cực dương, quá trình oxy hóa các ion halogenua xảy ra theo sơ đồ sau:

2 X - -2 eà X 2 0

Trong quá trình điện phân các dung dịch nước sunfat, nitrat, phốt phát, v.v. Chức năng của chất khử được thực hiện bởi các ion, oxy hóa theo sơ đồ sau:

4 HOH – 4 eà 2 H 2 ồ + ồ 2 + 4 H +

.

Nhiệm vụ.

Z MỘT tiểu 1. Trong quá trình điện phân dung dịch đồng sunfat, ở cực âm có 48 g đồng thoát ra. Tìm thể tích khí thoát ra ở anot và khối lượng axit sunfuric tạo thành trong dung dịch.

Đồng sunfat trong dung dịch không phân ly được ionC2+ vàS0 4 2 ".

CuS0 4 = Cu 2+ + S0 4 2 "

Hãy viết các phương trình của các quá trình xảy ra ở cực âm và cực dương. Các cation Cu bị khử ở cực âm và quá trình điện phân nước xảy ra ở cực dương:

Cu 2+ +2e- = Cu12

2H 2 0-4e- = 4H + + 0 2 |1

Phương trình tổng quát của điện phân là:

2Cu2+ + 2H2O = 2Cu + 4H+ + O2 (phương trình ion ngắn)

Hãy thêm 2 ion sunfat vào cả hai vế của phương trình, được hình thành trong quá trình phân ly đồng sunfat và chúng ta thu được phương trình ion hoàn chỉnh:

2Cu2+ + 2S042" + 2H20 = 2Cu + 4H+ + 2SO4 2" + O2

2CuSO4 + 2H2O = 2Cu + 2H2SO4 + O2

Khí thoát ra ở anot là oxi. Axit sunfuric được hình thành trong dung dịch.

Khối lượng mol của đồng là 64 g/mol, hãy tính khối lượng chất đồng:

Theo phương trình phản ứng, khi 2 mol đồng thoát ra ở cực âm thì 1 mol oxy thoát ra ở cực dương. 0,75 mol đồng thoát ra ở cực âm, x mol oxy thoát ra ở cực dương. Hãy làm một tỷ lệ:

2/1=0,75/x, x=0,75*1/2=0,375mol

0,375 mol oxy thoát ra ở cực dương

v(O2) = 0,375 mol.

Hãy tính thể tích khí oxi thoát ra:

V(O2) = v(O2) «VM = 0,375 mol «22,4 l/mol = 8,4 l

Theo phương trình phản ứng, khi giải phóng 2 mol đồng ở catốt thì trong dung dịch tạo thành 2 mol axit sunfuric, nghĩa là nếu 0,75 mol đồng thoát ra ở catốt thì tạo thành 0,75 mol axit sunfuric. trong dung dịch v(H2SO4) = 0,75 mol. Hãy tính khối lượng mol của axit sunfuric:

M(H2SO4) = 2-1+32+16-4 = 98 g/mol.

Tính khối lượng axit sunfuric:

m(H2S04) = v(H2S04>M(H2S04) = = 0,75 mol «98 g/mol = 73,5 g.

Trả lời: 8,4 lít oxy thoát ra ở cực dương; 73,5 g axit sunfuric được tạo thành trong dung dịch

Bài 2. Tìm thể tích khí thoát ra ở cực âm và cực dương khi điện phân dung dịch nước chứa 111,75 g kali clorua. Chất nào được tạo thành trong dung dịch? Tìm khối lượng của nó.

Kali clorua trong dung dịch phân ly thành các ion K+ và Cl:

2КС1 =К+ + Сl

Các ion kali không bị khử ở cực âm; thay vào đó, các phân tử nước bị khử. Ở cực dương, ion clorua bị oxy hóa và clo được giải phóng:

2H2O + 2e" = H2 + 20H-|1

2SG-2e" = C12|1

Phương trình tổng quát của điện phân là:

2СГl+ 2Н2О = Н2 + 2ОН" + С12 (phương trình ion ngắn) Dung dịch còn chứa ion K+ hình thành trong quá trình phân ly kali clorua và không tham gia phản ứng:

2K+ + 2Cl + 2H20 = H2 + 2K+ + 2OH" + C12

Viết lại phương trình ở dạng phân tử:

2KS1 + 2H2O = H2 + C12 + 2KON

Hydro được giải phóng ở cực âm, clo ở cực dương và kali hydroxit được tạo thành trong dung dịch.

Dung dịch chứa 111,75 g kali clorua.

Hãy tính khối lượng mol của kali clorua:

M(KS1) = 39+35,5 = 74,5 g/mol

Hãy tính lượng kali clorua:

Theo phương trình phản ứng, khi điện phân 2 mol kali clorua thì có 1 mol clo thoát ra. Điện phân 1,5 mol kali clorua thu được x mol clo. Hãy làm một tỷ lệ:

2/1=1,5/x, x=1,5 /2=0,75 mol

0,75 mol clo sẽ thoát ra, v(C!2) = 0,75 mol. Theo phương trình phản ứng, khi 1 mol clo thoát ra ở cực dương thì 1 mol hydro thoát ra ở cực âm. Do đó, nếu 0,75 mol clo thoát ra ở cực dương thì 0,75 mol hydro thoát ra ở cực âm, v(H2) = 0,75 mol.

Tính thể tích clo thoát ra ở anot:

V(C12) = v(Cl2)-VM = 0,75 mol «22,4 l/mol = 16,8 l.

Thể tích của khí hiđro bằng thể tích của clo:

Y(H2) = Y(C12) = 16,8l.

Theo phương trình phản ứng, điện phân 2 mol kali clorua tạo ra 2 mol kali hydroxit, nghĩa là điện phân 0,75 mol kali clorua tạo ra 0,75 mol kali hydroxit. Hãy tính khối lượng mol của kali hydroxit:

M(KOH) = 39+16+1 - 56 g/mol.

Hãy tính khối lượng kali hydroxit:

m(KOH) = v(KOH>M(KOH) = 0,75 mol-56 g/mol = 42 g.

Trả lời: 16,8 lít hydro thoát ra ở cực âm, 16,8 lít clo thoát ra ở cực dương và tạo thành dung dịch 42 g kali hydroxit.

Bài 3. Trong quá trình điện phân dung dịch 19 g clorua kim loại hóa trị hai, ở cực dương có 8,96 lít clo thoát ra. Xác định clorua kim loại nào đã được điện phân. Tính thể tích khí thoát ra ở catot.

Hãy ký hiệu kim loại M chưa biết, công thức clorua của nó là MC12. Ở cực dương, ion clorua bị oxy hóa và clo được giải phóng. Điều kiện nói rằng hydro được giải phóng ở cực âm, do đó xảy ra hiện tượng khử các phân tử nước:

2Н20 + 2е- = Н2 + 2ОH|1

2Cl -2e" = C12! 1

Phương trình tổng quát của điện phân là:

2Cl + 2H2O = H2 + 2OH" + C12 (phương trình ion ngắn)

Dung dịch còn chứa các ion M2+, không thay đổi trong quá trình phản ứng. Viết phương trình ion đầy đủ của phản ứng:

2SG + M2+ + 2H2O = H2 + M2+ + 2OH- + C12

Viết lại phương trình phản ứng ở dạng phân tử:

MC12 + 2H2O - H2 + M(OH)2 + C12

Hãy tìm lượng clo thoát ra ở anot:

Theo phương trình phản ứng, khi điện phân 1 mol clorua kim loại chưa biết thì có 1 mol clo thoát ra. Nếu 0,4 mol clo thoát ra thì điện phân 0,4 mol clorua kim loại. Tính khối lượng mol của clorua kim loại:

Khối lượng mol của clorua kim loại chưa biết là 95 g/mol. Có 35,5"2 = 71 g/mol trên hai nguyên tử clo. Do đó, khối lượng mol của kim loại là 95-71 = 24 g/mol. Magiê tương ứng với khối lượng mol này.

Theo phương trình phản ứng, cứ 1 mol clo thoát ra ở cực dương thì có 1 mol hydro thoát ra ở cực âm. Trong trường hợp của chúng tôi, 0,4 mol clo được giải phóng ở cực dương, có nghĩa là 0,4 mol hydro được giải phóng ở cực âm. Hãy tính thể tích khí hidro:

V(H2) = v(H2>VM = 0,4 mol «22,4 l/mol = 8,96 l.

Trả lời:điện phân dung dịch magie clorua; 8,96 lít khí hiđro thoát ra ở cực âm.

*Bài toán 4. Trong quá trình điện phân 200 g dung dịch kali sunfat có nồng độ 15%, ở cực dương có 14,56 lít khí oxi thoát ra. Tính nồng độ dung dịch sau khi điện phân.

Trong dung dịch kali sunfat, các phân tử nước phản ứng ở cả cực âm và cực dương:

2Н20 + 2е" = Н2 + 20Н-|2

2H2O - 4e" = 4H+ + O2! 1

Hãy cộng cả hai phương trình lại với nhau:

6H2O = 2H2 + 4OH" + 4H+ + O2, hoặc

6H2O = 2H2 + 4H2O + O2, hoặc

2H2O = 2H2 + 02

Trên thực tế, khi điện phân dung dịch kali sunfat thì cũng xảy ra quá trình điện phân nước.

Nồng độ chất tan trong dung dịch được xác định theo công thức:

С=m(chất tan) 100% / m(dung dịch)

Để tìm nồng độ của dung dịch kali sunfat khi kết thúc quá trình điện phân, bạn cần biết khối lượng kali sunfat và khối lượng của dung dịch. Khối lượng kali sunfat không thay đổi trong quá trình phản ứng. Hãy tính khối lượng kali sunfat trong dung dịch ban đầu. Hãy biểu thị nồng độ của dung dịch ban đầu là C

m(K2S04) = C2 (K2S04) m(dung dịch) = 0,15 200 g = 30 g.

Khối lượng của dung dịch thay đổi trong quá trình điện phân khi một phần nước được chuyển thành hydro và oxy. Hãy tính lượng oxi thoát ra:

(Ô 2)=V(O2) / Vm =14,56l / 22,4l/mol=0,65mol

Theo phương trình phản ứng, 2 mol nước tạo ra 1 mol oxy. Để 0,65 mol oxy thoát ra trong quá trình phân hủy x mol nước. Hãy làm một tỷ lệ:

1,3 mol nước bị phân hủy, v(H2O) = 1,3 mol.

Hãy tính khối lượng mol của nước:

M(H2O) = 1-2 + 16 = 18 g/mol.

Hãy tính khối lượng nước bị phân hủy:

m(H2O) = v(H2O>M(H2O) = 1,3 mol* 18 g/mol = 23,4 g.

Khối lượng của dung dịch kali sunfat giảm 23,4 g và bằng 200-23,4 = 176,6 g. Bây giờ chúng ta tính nồng độ của dung dịch kali sunfat khi kết thúc quá trình điện phân:

C2 (K2 SO4)=m(K2 SO4) 100% / m(dung dịch)=30g 100% / 176,6g=17%

Trả lời: nồng độ của dung dịch khi kết thúc điện phân là 17%.

*Bài tập 5. Hòa tan 188,3 g hỗn hợp natri và kali clorua vào nước và cho một dòng điện chạy qua dung dịch thu được. Trong quá trình điện phân, ở cực âm có 33,6 lít khí hiđro thoát ra. Tính thành phần của hỗn hợp theo phần trăm khối lượng.

Sau khi hòa tan hỗn hợp kali và natri clorua trong nước, dung dịch chứa các ion K+, Na+ và Cl-. Cả ion kali và ion natri đều không bị khử ở cực âm; Ở cực dương, ion clorua bị oxy hóa và clo được giải phóng:

Viết lại phương trình ở dạng phân tử:

2KS1 + 2N20 = N2 + C12 + 2KON

2NaCl + 2H2O = H2 + C12 + 2NaOH

Chúng ta hãy biểu thị lượng kali clorua có trong hỗn hợp bằng x mol và lượng natri clorua có trong mol. Theo phương trình phản ứng, khi điện phân 2 mol natri hoặc kali clorua thì có 1 mol khí hiđro thoát ra. Do đó, trong quá trình điện phân x mol kali clorua, x/2 hoặc 0,5x mol hydro được hình thành và trong quá trình điện phân x mol natri clorua, 0,5y mol hydro được hình thành. Hãy tìm lượng hydro thoát ra trong quá trình điện phân hỗn hợp:

Hãy lập phương trình: 0,5x + 0,5y = 1,5

Hãy tính khối lượng mol của kali và natri clorua:

M(KS1) = 39+35,5 = 74,5 g/mol

M(NaCl) = 23+35,5 = 58,5 g/mol

Khối lượng x mol kali clorua bằng:

m(KCl) = v(KCl)-M(KCl) = x mol-74,5 g/mol = 74,5x g.

Khối lượng mol natri clorua là:

m(KCl) = v(KCl)-M(KCl) = y mol-74,5 g/mol = 58,5y g.

Khối lượng của hỗn hợp là 188,3 g, hãy lập phương trình thứ hai:

74,5x + 58,5y= 188,3

Vì vậy, ta giải hệ hai phương trình với hai ẩn số:

0,5(x + y)= 1,5

74,5x + 58,5y=188,3g

Từ phương trình đầu tiên chúng ta biểu thị x:

x + y = 1,5/0,5 = 3,

x = 3-y

Thay giá trị x này vào phương trình thứ hai, chúng ta nhận được:

74,5-(3-y) + 58,5y= 188,3

223,5-74,5y + 58,5y= 188,3

-16у = -35,2

y = 2,2 100% / 188,3g = 31,65%

Hãy tính phần khối lượng của natri clorua:

w(NaCl) = 100% - w(KCl) = 68,35%

Trả lời: hỗn hợp chứa 31,65% kali clorua và 68,35% natri clorua.

ĐIỆN PHÂN

nóng chảy và dung dịch chất điện phân

Điện phân được gọi là tập hợp các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình dòng điện trực tiếp thông qua một hệ thống điện hóa bao gồm hai điện cực và dung dịch nóng chảy hoặc điện phân.

Bản chất hóa học của điện phân nằm ở chỗ nó là phản ứng oxi hóa khử xảy ra dưới tác dụng của dòng điện một chiều và các quá trình oxy hóa và khử được phân tách theo không gian.

cực âm - một điện cực trên đó các cation hoặc nước bị khử. Nó được tích điện âm.

Cực dương – một điện cực trên đó anion hoặc nước bị oxy hóa. Nó được tích điện dương.

1. Điện phân muối và bazơ nóng chảy.

Trong quá trình điện phân nóng chảy ở catốt, cation kim loại luôn bị khử.

К(-): Мen+ + nē → Me0

Quá trình anốt được xác định bởi thành phần của anion:

a) Nếu anion là axit không có oxy (Cl-, Br-, I-, S2-) thì anion này trải qua quá trình oxy hóa anốt và tạo thành một chất đơn giản:

A(+): 2Cl - - 2ē → Cl2 hoặc A(+): S2- - 2ē → S0

b) Nếu anion chứa oxy (SO42-, SiO32-, HO-, v.v.) trải qua quá trình oxy hóa anốt thì phi kim tạo thành oxit (không thay đổi trạng thái oxy hóa) và oxy được giải phóng.

A(+): 2SiO32-- 4ē → 2SiO2 + O2

A(+): 2SO32-- 4ē → 2SO2 + O2

A(+): 4РО43-- 12ē → 2Р2O5 + 3О2

A(+): 4NO3-- 4ē → 2N2O5 + O2

A(+): 4HO-- 4ē → 2H2O + O2

Ví dụ 1.1. Muối nóng chảy ZnCl2

ZnCl2 Û Zn2+ + 2Cl-

S: Điện phân ZnCl2 Zn + Cl2

Ví dụ 1.2. Làm tan chảy NaOH kiềm

NaOH Û Na+ + OH-

Phương trình điện phân tổng thể thu được bằng cách cộng vế phải và vế trái của phương trình, với điều kiện là các electron tham gia vào quá trình cực âm và anốt bằng nhau.

https://pandia.ru/text/80/299/images/image006_58.gif" width="70" Height="12">4 Na+ + 4 ē + 4 OH - - 4 ē điện phân 4 Na0 + O2 + 2H2O

4 Na+ + 4 OH - điện phân 4 Na0 + O2 + 2H2O - phương trình ion

Điện phân 4NaOH 4Na + 2H2O + O2 - phương trình phân tử

Ví dụ 1.3. Muối tan chảy Na2SO4

Na2SO4 Û 2Na+ + SO42-

K(-): Na+ + 1 ē Þ Nao *4

A(+): 2SO42- - 4 Þ O2 + 2SO3

4Na+ +2SO42- Þ 2Nao + O2 + 2SO3 – phương trình ion của điện phân

Điện phân 2Na2SO4 4Nao + O2 + 2SO3 – phương trình phân tử

K A

Ví dụ 1.4. Làm tan muối AgNO3

AgNO3 Û Ag+ + NO3-

K(-): Ag+ + 1 ē Þ Trước *4

A(+): 4NO3- - 4 Þ 2N2O5 + 2O2 *1

4Ag+ + 4NO3- điện phân 4Ag + 2N2O5 + 2O2

Điện phân 4AgNO3 4Ag + 2N2O5 +2O2

K A

Nhiệm vụ cho công việc độc lập . Viết các phương trình điện phân nóng chảy các muối sau: AlCl3, Cr2(SO4)3, Na2SiO3, K2CO3.

2. Điện phân các dung dịch muối, hydroxit và axit.

Quá trình điện phân dung dịch nước rất phức tạp do nước có thể tham gia vào quá trình oxy hóa và khử.

Quá trình catốt được xác định bởi hoạt động điện hóa của cation muối. Kim loại càng ở về bên trái trong chuỗi điện áp thì các cation của nó càng khó bị khử ở cực âm:

Lý K Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Tế Ni Sn Pb H2 Cư Hg Ag Pt Âu

TÔI nhómIInhómIIInhóm

Đối với các cation kim loại lên đến và bao gồm Al (nhóm I), quá trình catốt là khử hydro khỏi nước:

(-)K: 2H2O + 2ē → H2 + 2HO-

Đối với các cation kim loại sau hydro (nhóm III), quá trình catốt là quá trình khử chúng thành kim loại:

(-) K: Мen+ + nē → Me0

Đối với các cation kim loại trong dãy điện áp từ Mn đến H2 (nhóm II), xảy ra song song các quá trình cạnh tranh khử cation kim loại và hydro khỏi nước:

(-) K: Мen+ + nē → Me0

2H2O + 2ē → H2+ 2HO-

Quá trình nào trong số này sẽ chiếm ưu thế phụ thuộc vào một số yếu tố: Hoạt tính Me, pH dung dịch, nồng độ muối, điện áp ứng dụng và điều kiện điện phân.

Quá trình anốt được xác định bởi thành phần của anion muối:

MỘT) Nếu anion là axit không có oxy (Cl-, Br-, I-, S2-, v.v.) thì nó sẽ bị oxy hóa thành các chất đơn giản (ngoại trừ F-):

A(+): S2- - 2ē → S0

b) Khi có mặt anion chứa oxy (SO42-, CO32-, v.v. hoặc OH-), chỉ có nước mới trải qua quá trình oxy hóa anốt:

A(+): 2H2O - 4ē → O2 + 4H+

Hãy xem các ví dụ để minh họa tất cả các tùy chọn có thể:

Ví dụ 2.1 . Dung dịch muối KCl

K(-): 2H2O + 2e - Þ H2 + 2OH-

A(+): 2Cl - - 2e - Þ Cl2

å: 2H2O + 2Cl - điện phân H2 + 2OH - + Cl2 – phương trình ion của điện phân

Điện phân 2KCl + 2H2O H2 + 2KOH + Cl2 – phương trình phân tử của điện phân

K A

Ví dụ 2.2 . Dung dịch muối CuCl2

CuCl2 Û Cu2+ + 2Cl-

K(-): Cu2+ + 2e - Þ Cuo

A(+): 2Cl- -2e - Þ Cl2

å: Điện phân CuCl2 Cu + Cl2

Ví dụ 2.3. dung dịch muối FeCl2

FeCl2 Û Fe2+ + 2Cl-

Sắt thuộc kim loại nhóm II nên ở cực âm sẽ xảy ra hai quá trình song song:

Quá trình thứ 1:

(-) K: Fe2+ + 2ē → Fe0

(+)A: 2Cl - - 2ē → Cl2

Fe2+ ​​​​+ 2Cl - el-z Fe0 + Cl2 - phương trình ion của quá trình

FeCl2 el-z Fe0 + Cl2 - phương trình phân tử của quá trình

Quá trình thứ 2:

(-)K: 2H2O + 2ē → H2+ 2OH-

(+)A: 2Cl - - 2ē → Cl2

2H2O + 2Cl - → H2+ 2OH - + Cl2 - phương trình ion của quá trình

Điện phân 2H2O + FeCl2 H2+ Fe(OH)2 + Cl2 - phương trình phân tử.

Như vậy, trong không gian catôt Fe, H2 và Fe(OH)2 sẽ được hình thành với các tỷ lệ khác nhau tùy theo điều kiện điện phân.

Ví dụ 2.4 . Dung dịch muối Na2SO4.

Na2SO4 Û 2Na+ + SO42-

K(-) 2H2O + 2e - Þ H2 + 2OH - *2

A(+) 2H2O – 4e - Þ O2 + 4H+

å: Điện phân 6H2O 2H2 + 4OH - + O2 + 4H+

å: Điện phân 6H2O + 2Na2SO4 2H2 + 4 NaOH + O2 + 2H2SO4

trong không gian cực âm trong không gian cực dương

Khi tắt dòng điện và nội dung của không gian cực âm và cực dương được trộn lẫn, kết quả cuối cùng của quá trình điện phân có thể được biểu diễn bằng sơ đồ sau:

2H2O el-z 2H2 + O2,

vì chất kiềm tác dụng với axit tạo thành 2 mol muối và 4 mol nước.

Ví dụ 2.5 . Điện phân dung dịch CuSO4.

CuSO4 Û Cu2+ + SO42-

K(-): Cu2+ + 2e - Þ Cuo

A(+): 2H2O – 4e - Þ O2 + 4H+

å: Điện phân 2Cu2+ + 2H2O 2Cuo + O2 + 4H+

å: Điện phân CuSO4 + 2H2O 2Cuo + O2 + 2H2SO4

Ví dụ 2.6. Điện phân dung dịch FeSO4

Vì sắt thuộc nhóm kim loại II nên hai quá trình cạnh tranh sẽ xảy ra song song ở cực âm (xem ví dụ 2.3) và nước sẽ oxy hóa ở cực dương (xem ví dụ 2.4):

Quá trình thứ 1:

https://pandia.ru/text/80/299/images/image043_10.gif" width="41" Height="12">2Fe2+ + 2Н2О el-z 2 Fe + O2 + 4H+ - phương trình ion của quá trình

2FeSO4 + 2H2O el-z 2 Fe + O2 + 2H2SO4– phương trình phân tử

Quá trình thứ 2:

K(+): 2H2O + 2ē → H2+ 2OH - *2

A(-): 2H2O - 4ē → O2+ 4H+

Điện phân 6H2O 2H2+ 4ОH - + O2 + 4H+

Điện phân 6H2O + 2FeSO4 2H2+ 2Fe(OH)2 + O2 + 2H2SO4 - phân tử

https://pandia.ru/text/80/299/images/image051_9.gif" width="21" Height="50">Và chỉ khi các quá trình khử catốt của cation kim loại và hydro từ nước xảy ra với tỷ lệ bằng nhau , chúng ta có thể viết phương trình phản ứng tổng thể cuối cùng:

(-) K: Fe2+ + 2ē → Fe0

2H2O + 2ē → H2+ 2HO - chỉ có 4 electron

(+)A: 2H2O - 4ē → O2 + 4H+

Fe2+ ​​​​+ 2H2O + 2H2O → Fe + H2+ 2HO - + O2 + 4H+

2FeSO4 + 4H2O el-z Fe + H2+ Fe(OH)2 + O2 + 2H2SO4

cực âm cực dương

Sau khi tắt dòng điện và trộn các dung dịch, phương trình cuối cùng sẽ như sau:

· Lập phương trình điện phân các dung dịch K2CO3, ZnSO4, AgNO3, NiI2, CoCl2.

· Giải quyết vấn đề. Để phân tích hàm lượng tạp chất NaCl trong NaOH kỹ thuật, người ta hòa tan 40 g thuốc vào nước và điện phân cho đến khi ion clo bị oxy hóa hoàn toàn. Trong trường hợp này, 601 ml Cl2 được giải phóng ở cực dương ở nhiệt độ 200C và áp suất bình thường. Tính phần khối lượng của tạp chất NaCl trong NaOH.

3. Điện phân c hòa tan S cực dương m

Ở trên, chúng tôi đã xem xét các ví dụ về điện phân dung dịch muối có cực dương trơ, tức là cực dương không tham gia hóa học trong quá trình anốt. Các điện cực như vậy được làm bằng kim loại quý không hoạt động, ví dụ, các điện cực Pt, Ir hoặc carbon được sử dụng. Nếu sử dụng cực dương hòa tan, ví dụ như cực dương Cu, cực dương Zn, thì quá trình anốt sẽ bị thay đổi đáng kể, vì bản thân cực dương đã bị oxy hóa. Ở cực dương, trong 2 quá trình cạnh tranh xảy ra quá trình có thế năng thấp hơn: oxy hóa đồng E0 = - 0,34 V, oxy hóa kẽm E0 = - 0,76 V, oxy hóa anion Cl E0 = + 1,36V

Ví dụ 3.1. Điện phân dung dịch muối CuCl2 với cực dương hòa tan:

Cực âm (-): Cực dương Cu (+):

Cu2+ + 2ē → Cu0 Cu0 - 2ē → Cu2+

Do đó, một kiểu tinh chế cực dương đồng xảy ra: nó hòa tan, tạp chất còn sót lại trong không gian cực dương và đồng nguyên chất lắng đọng trên cực âm. Trong trường hợp này, anion clo không bị oxy hóa mà tích tụ trong không gian cực dương.

Ví dụ 3.2. Điện phân dung dịch muối KCl bằng cực dương Cu:

Cực dương Cu (+): Cu0 - 2ē → Cu2+

Ở cực âm, ban đầu hydro bắt đầu bị khử khỏi nước, nhưng sự xuất hiện của Cu2+ trong dung dịch khiến hai phản ứng khử ở catốt có tính cạnh tranh:

K(-): 2H2O + 2ē → H2+ 2NO - E0 = - 0,828 V

Cu2+ + 2ē → Cu0 E0 = + 0,34 V

Kết quả là, chất được đặc trưng bởi điện thế cao hơn chủ yếu tiến hành, tức là khử Cu2+ thành Cu0.

Như vậy, trong trường hợp này cực dương Cu sẽ hòa tan: Cu0 - 2ē → Cu2+, còn ở cực âm các cation đồng tạo thành sẽ bị khử: Cu2+ + 2ē → Cu0. Muối KCl chỉ cần thiết để tăng độ dẫn điện của dung dịch và không tham gia trực tiếp vào quá trình oxi hóa khử.

Phân công công việc độc lập. Xét quá trình điện phân CuSO4 với cực dương Cu, Na2SO4 với cực dương Cu.

Khử trùng bằng clo

Công dụng của natri hypoclorit (NaClO) là do khả năng hóa học của nó có thể vô hiệu hóa một số vi sinh vật gây hại. Đặc tính diệt khuẩn của nó nhằm mục đích tiêu diệt một số loại nấm và vi khuẩn nguy hiểm.

Để thu được natri hypoclorit cần thực hiện quá trình clo hóa natri hydroxit (NaOH) bằng clo phân tử (Cl).

Nguyên lý hoạt động của natri hypoclorit (NaClO) khá đơn giản, vì chất này có đặc tính diệt khuẩn cao (chất diệt khuẩn - tác nhân hóa học được thiết kế để chống lại các vi sinh vật gây hại hoặc gây bệnh). Khi natri hypochlorite (NaClO) đi vào nước, nó bắt đầu phân hủy tích cực, tạo ra các hạt hoạt động dưới dạng gốc tự do và gốc oxy hóa có tác dụng chống lại các vi sinh vật gây hại. Các hạt hoạt tính của natri hypochlorite (NaClO) bắt đầu phá hủy lớp vỏ bên ngoài hoặc màng sinh học của vi sinh vật, do đó dẫn đến cái chết cuối cùng của nhiều loại nấm, vi rút và vi khuẩn gây bệnh. Thành phần hóa học của natri hypochlorite nhằm mục đích khử trùng và khử trùng nước. Vì vậy, chất này chiếm một vị trí quan trọng trong nhiều lĩnh vực của đời sống con người. Các nghiên cứu trên thế giới cho thấy natri hypochlorite (NaClO) được sử dụng để khử trùng trong 91% trường hợp, 9% còn lại bao gồm kali hoặc lithium hypochlorite. Nhưng để chất này phát huy tác dụng và lợi ích trong cuộc sống hàng ngày, cần theo dõi cẩn thận nồng độ của dung dịch.
Khử trùng bằng clo hóa ra là cách đơn giản và rẻ nhất để khử trùng nước nên nó nhanh chóng lan rộng khắp thế giới. Bây giờ chúng ta có thể nói rằng phương pháp khử trùng nước uống truyền thống, được chấp nhận trên toàn thế giới (trong 99 trường hợp trong số 100 trường hợp), là khử trùng bằng clo, và ngày nay hàng trăm nghìn tấn clo được sử dụng hàng năm để khử trùng nước. Ở Nga, hơn 99% nước được khử trùng bằng clo và trung bình mỗi năm sử dụng khoảng 100 nghìn tấn clo.

Trong thực tế khử trùng nước uống hiện nay, khử trùng bằng clo được sử dụng thường xuyên nhất là phương pháp tiết kiệm và hiệu quả nhất so với bất kỳ phương pháp nào khác đã biết, vì đây là phương pháp duy nhất đảm bảo an toàn vi sinh của nước tại bất kỳ điểm nào trong mạng lưới phân phối tại bất cứ lúc nào do tác dụng phụ của clo.
Người ta biết rằng clo (Cl), khi phản ứng với nước, không tạo thành “nước clo” (như đã nghĩ trước đây), mà là axit hypochlorous ( HClO) là chất đầu tiên thu được từ các nhà hóa học có chứa clo hoạt tính.
Từ phương trình phản ứng: HClO + HCl ↔ Cl 2 + H 2 O, theo lý thuyết thì từ 52,5 g nguyên chất HClO bạn có thể nhận được 71 g Cl2, nghĩa là axit hypochlorous chứa 135,2% clo hoạt tính. Nhưng axit này không ổn định: nồng độ tối đa có thể có trong dung dịch không quá 30%.
Clo dễ dàng hòa tan trong nước, giết chết mọi sinh vật sống trong đó. Như đã được thiết lập, sau khi trộn khí clo với nước, trạng thái cân bằng được thiết lập trong dung dịch nước:
Cl 2 + H 2 O ↔ HClO + HCl
Tiếp theo, sự phân ly xảy ra (sự phân ly là sự phân hủy của một hạt (phân tử, gốc, ion) thành một số hạt đơn giản hơn) của axit hypochlorous thu được HOCl ↔ H+ + OCl –
Sự hiện diện của axit hypochlorous trong dung dịch clo và các anion do sự phân ly của nó OCl – có đặc tính diệt khuẩn mạnh (khả năng tiêu diệt vi sinh vật). Người ta phát hiện ra rằng axit hypochlorous tự do hoạt động mạnh hơn gần 300 lần so với các ion hypochlorite ClO. Điều này được giải thích bởi khả năng độc đáo HClO xâm nhập vi khuẩn qua màng của chúng. Ngoài ra, như chúng tôi đã chỉ ra, axit hypochlorous dễ bị phân hủy dưới ánh sáng:
2HClO → 2 1O 2 + 2HCl → O 2 + HCl
với sự hình thành axit clohydric và oxy nguyên tử (đơn) (làm chất trung gian), là chất oxy hóa mạnh.

Quá trình clo hóa.

Tại trạm xử lý nước, clo được cung cấp ở trạng thái hóa lỏng trong các thùng chứa chuyên dụng có dung tích khác nhau, bình chứa có thể tích vừa và nhỏ. Nhưng clo ở dạng khí được dùng để khử trùng nước. Khí clo thu được từ clo lỏng bằng cách làm bay hơi nó trong thiết bị bay hơi dạng cuộn, là những thiết bị hình trụ thẳng đứng có cuộn dây được đặt bên trong để clo lỏng đi qua. Việc định lượng khí clo thu được vào nước được thực hiện thông qua các thiết bị đặc biệt - máy khử clo chân không.
Sau khi đưa clo vào nước đang được xử lý, phải đảm bảo hòa trộn tốt với nước và đảm bảo thời gian tiếp xúc đủ với nước (ít nhất 30 phút) trước khi cấp nước cho người tiêu dùng. Cần lưu ý rằng nước phải được chuẩn bị sẵn trước khi khử trùng bằng clo và theo quy định, quá trình khử trùng bằng clo thường được thực hiện trước khi nước được làm rõ đi vào bể chứa nước sạch, nơi đảm bảo thời gian tiếp xúc cần thiết.

Ưu điểm chính của việc sử dụng khí clo để khử trùng nước
là:

• chi phí thấp của quá trình khử trùng nước;
• sự đơn giản của quá trình clo hóa;
• khả năng khử trùng cao của khí clo;
• clo không chỉ ảnh hưởng đến vi sinh vật mà còn oxy hóa các chất hữu cơ và vô cơ;
• Clo loại bỏ mùi vị, mùi hôi của nước, màu sắc của nước và không làm tăng độ đục.

Tuy nhiên, clo là chất có độc tính cao thuộc loại nguy hiểm thứ hai. Khí clo là chất oxy hóa mạnh, hỗ trợ quá trình đốt cháy nhiều chất hữu cơ và gây cháy khi tiếp xúc với các chất dễ cháy. Bột nhựa thông, titan và kim loại trong môi trường clo có thể tự bốc cháy ở nhiệt độ phòng. Clo tạo thành hỗn hợp nổ với hydro.
Đôi khi chi phí để đảm bảo an toàn trong quá trình khử trùng bằng clo vượt quá chi phí cho việc khử trùng bằng clo thực tế trong nước.

Về vấn đề này, việc sử dụng natri hypochlorite làm chất clo để khử trùng nước là một giải pháp thay thế tốt cho khí clo.

Điện phân

Phương pháp rẻ nhất, đơn giản và an toàn nhất để sản xuất dung dịch khử trùng natri hypoclorit là điện phân dung dịch natri clorua (NaCl) và tương tác với kiềm trong cùng một thiết bị - máy điện phân.

Các bức ảnh cho thấy một chất điện phân. Bơm định lượng Seko để định lượng natri hypoclorit và bơm Argal kín để bơm nước muối NaCl

Trong khi duy trì tất cả các ưu điểm của phương pháp khử trùng bằng clo bằng clo lỏng, khử trùng bằng natri hypoclorit điện phân cho phép bạn tránh được những khó khăn chính trong việc vận chuyển và lưu trữ khí độc.
Việc sử dụng dung dịch natri hypoclorit nồng độ thấp làm tăng tính an toàn trong quá trình sản xuất khử trùng nước so với clo lỏng và dung dịch natri hypoclorit nồng độ cao.
Nguyên liệu thô để sản xuất natri hypoclorit là muối ăn. Vì thuốc thử được sử dụng trực tiếp tại điểm nhận nên không cần vận chuyển.
Quy trình công nghệ sản xuất natri hypoclorit bao gồm các hoạt động sau:

• Chuẩn bị dung dịch muối ăn bão hòa.
• Quá trình chính để sản xuất natri hypoclorit là điện phân.

Khi điện phân dung dịch natri clorua xảy ra các phản ứng sau:
ở cực âm: 2Na + + 2е→2Na;
2Na + 2H2O→2NaOH (natri hydroxit) + H 2 ;
ở cực dương: 2Cl - – 2е→Cl 2 ;
Cl 2 + 2H 2 O →2HClO (axit hypoclorơ) + HCl.
Phản ứng tổng cộng có thể được trình bày như sau:
NaCl + H 2 O → NaClO + H 2 .

Do quá trình oxy hóa natri hypoclorit với sự hình thành clorit và clorat sau đó chậm lại khi nhiệt độ giảm, nên quá trình điện phân được thực hiện ở nhiệt độ tương đối thấp của dung dịch muối làm việc (20–25 C°).
Muối được đổ vào các thùng chứa đặc biệt - chất bão hòa thông qua thiết bị nạp. Nguyên liệu thô để sản xuất dung dịch natri hypoclorit nồng độ thấp là muối ăn cao cấp hay còn gọi là “Extra”. Nước đổ đi qua lớp muối tạo thành dung dịch muối ăn bão hòa.
Để làm sạch dung dịch muối đậm đặc, người ta sử dụng các bộ lọc thô và các bộ lọc hộp mực mịn bằng polypropylen có thể thay thế với thông lượng 5 micron.
Dung dịch muối ăn bão hòa được bơm vào máy trộn, tại đây nó được pha loãng với nước máy đến nồng độ phù hợp (theo SanPiN 2.1.4.1074-01), sau đó vào máy điện phân.
Quá trình chính sản xuất natri hypoclorit bằng điện phân được thực hiện trong các hệ thống lắp đặt bao gồm bể điện phân và bộ trao đổi nhiệt. Trong bộ trao đổi nhiệt, chất điện phân được làm mát vào mùa hè (bằng nước máy) và dung dịch muối làm việc được làm nóng trước vào mùa đông.
Trong bể điện phân, các điện cực titan được phủ ruthenium và iridium dioxides. Trong quá trình điện phân, canxi và magie lắng đọng trên các điện cực, do đó, theo định kỳ, khi các cặn này hình thành, các máy điện phân được rửa trong một mạch kín bằng dung dịch axit clohydric (HCl) 4%.
Trong máy điện phân, quá trình điện phân liên tục dung dịch muối làm việc xảy ra, thu được natri hypoclorit. Dung dịch NaCl 3% với tốc độ dòng thể tích không đổi 2,5 m3/h chảy qua thiết bị điện phân cho đến khi đạt được nồng độ NaClO mong muốn (0,8%). Natri hypochlorite hình thành trong máy điện phân được lưu trữ trong các bể đặc biệt để cung cấp cho nhu cầu của các cơ sở xử lý.
Natri hypochlorite có nồng độ ít nhất 8 g/l clo hoạt tính đi vào bể chứa, từ đó nó được bơm đến các đơn vị định lượng nằm gần điểm đầu vào thuốc thử. Từ các thùng chứa, natri hypoclorit được cung cấp qua hệ thống đường ống bằng máy bơm phân phối đến trạm định lượng tự động vào nước đã xử lý.

Phần kết luận
Việc sử dụng dung dịch natri hypoclorit nồng độ thấp giúp tăng cường độ an toàn của quy trình lọc nước tại các nhà máy cấp nước.

Sự kết hợp giữa khử trùng nước đã xử lý bằng natri hypoclorit nồng độ thấp (giai đoạn một) với chiếu tia cực tím trước khi cấp vào mạng lưới cấp nước thành phố (giai đoạn hai) đảm bảo tuân thủ đầy đủ chất lượng nước về các chỉ tiêu vi sinh theo tiêu chuẩn hiện hành và dịch tễ học cao. sự an toàn.

Khi xem xét quá trình điện phân các dung dịch, người ta không được bỏ qua một thực tế rằng, ngoài các ion điện phân, trong bất kỳ dung dịch nước nào còn có các ion cũng là sản phẩm của sự phân ly của nước - H + và OH -. trường, các ion hydro di chuyển về cực âm và các ion hydroxyl di chuyển về cực dương. Do đó, cả cation điện phân và cation hydro đều có thể phóng điện ở cực âm. Tương tự, ở cực dương, cả anion điện phân và ion hydroxyl đều có thể được phóng điện. Ngoài ra, các phân tử nước cũng có thể trải qua quá trình oxy hóa hoặc khử điện hóa.

Loại quá trình điện hóa nào sẽ xảy ra ở các điện cực trong quá trình điện phân sẽ chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ thế điện cực của các hệ thống điện hóa tương ứng. Điều này có nghĩa là dạng oxy hóa của hệ thống điện hóa sẽ bị khử ở cực âm. Trong số một số quy trình có thể thực hiện được, quy trình có mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu sẽ được tiến hành. Điều này có nghĩa là dạng oxy hóa của hệ thống điện hóa có thế điện cực cao nhất sẽ bị khử ở cực âm và dạng khử của hệ thống có thế điện cực thấp nhất sẽ bị oxy hóa ở cực dương. Vật liệu điện cực có tác dụng ức chế sự xuất hiện của một số quá trình điện hóa; những trường hợp như vậy được chỉ định dưới đây.

Khi xem xét các quá trình catốt xảy ra trong quá trình điện phân dung dịch nước, cần tính đến độ lớn thế năng của quá trình khử các ion hydro. Điện thế này phụ thuộc vào nồng độ của các ion hydro và trong trường hợp dung dịch trung tính (pH=7) có giá trị
φ=-0,059*7=-0,41 V. Từ đây rõ ràng là nếu chất điện phân được tạo thành bởi một kim loại có thế điện cực dương hơn –0,41 V thì kim loại đó sẽ thoát ra khỏi dung dịch trung tính ở cực âm . Những kim loại như vậy được tìm thấy ở dải điện áp gần và sau hydro (bắt đầu từ thiếc). Ngược lại, trong trường hợp chất điện phân, kim loại có điện thế âm hơn –0,41 V đáng kể, kim loại sẽ không bị khử nhưng hydro sẽ được giải phóng. Những kim loại như vậy bao gồm các kim loại ở đầu phạm vi ứng suất, xấp xỉ bằng titan. Cuối cùng, nếu thế kim loại gần –0,41 V (các kim loại ở phần giữa của dãy - Zn, Cr, Fe, Ni), thì tùy thuộc vào nồng độ của dung dịch và điều kiện điện phân, cả sự khử của kim loại và sự tiến hóa có thể có hydro; Sự đồng phát thải của kim loại và hydro thường được quan sát thấy.

Sự phát triển điện hóa của hydro từ dung dịch axit xảy ra do sự phóng điện của các ion hydro. Trong trường hợp môi trường trung tính hoặc kiềm, đó là kết quả của quá trình khử điện hóa của nước:

2H 2 O + 2e - =H 2 + 2OH -

Như vậy, bản chất của quá trình catốt trong quá trình điện phân dung dịch nước được xác định chủ yếu bởi vị trí của kim loại tương ứng trong dãy điện áp. Trong một số trường hợp, độ pH của dung dịch, nồng độ ion kim loại và các điều kiện điện phân khác có tầm quan trọng rất lớn.

Khi xem xét các quá trình anốt, cần lưu ý rằng vật liệu làm cực dương có thể bị oxy hóa trong quá trình điện phân. Về vấn đề này, có sự khác biệt giữa điện phân với cực dương trơ ​​và điện phân với cực dương hoạt động. Cực dương trơ ​​là cực dương mà vật liệu của nó không trải qua quá trình oxy hóa trong quá trình điện phân. Cực dương hoạt động là cực dương mà vật liệu của nó có thể bị oxy hóa trong quá trình điện phân. Than chì, than đá và bạch kim thường được sử dụng làm vật liệu chế tạo cực dương trơ.

Trên cực dương trơ, trong quá trình điện phân dung dịch kiềm, axit chứa oxy và muối của chúng, cũng như axit hydrofluoric và florua, quá trình oxy hóa điện hóa của nước xảy ra khi giải phóng oxy. Tùy thuộc vào độ pH của dung dịch, quá trình này xảy ra khác nhau và có thể được viết bằng các phương trình khác nhau. Trong môi trường kiềm phương trình có dạng

4OH - =O 2 + 2H 2 O + 4e -

và có tính axit hoặc trung tính:

2H 2 O =O 2 + 4H + + 4e -

Trong các trường hợp đang được xem xét, quá trình oxy hóa điện hóa của nước là quá trình thuận lợi nhất về mặt năng lượng. Các anion chứa oxy không thể bị oxy hóa hoặc quá trình oxy hóa của chúng xảy ra ở điện thế rất cao. Ví dụ, thế oxy hóa tiêu chuẩn của ion SO 4 2-

2SO 4 2- =S 2 O 8 2- + 2e -

bằng 2,010 V, vượt quá đáng kể khả năng oxy hóa tiêu chuẩn của nước (1,228 V). Thế oxy hóa tiêu chuẩn của ion F - còn có giá trị lớn hơn (2,87 V).

Trong quá trình điện phân dung dịch axit không có oxy và muối của chúng (trừ HF và florua), các anion được thải ra ở cực dương. Đặc biệt, trong quá trình điện phân dung dịch HI, HBr, HCl và muối của chúng, halogen tương ứng được giải phóng ở cực dương. Lưu ý rằng sự giải phóng clo trong quá trình điện phân HCl và muối của nó mâu thuẫn với vị trí tương đối của các hệ

2Cl - =2Cl + 2e - (φ=1,359 V)

2H 2 O =O 2 + 4H + + 4e - (φ = 1,228 V)

nằm trong khoảng thế điện cực tiêu chuẩn. Sự bất thường này có liên quan đến sự quá điện áp đáng kể của quá trình thứ hai trong số hai quá trình điện cực này - vật liệu làm cực dương có tác dụng ức chế quá trình giải phóng oxy.

Trong trường hợp cực dương hoạt động, số lượng quá trình oxy hóa cạnh tranh tăng lên ba: oxy hóa điện hóa nước với sự giải phóng oxy, phóng điện anion (tức là quá trình oxy hóa của nó) và oxy hóa điện hóa kim loại cực dương (còn gọi là sự hòa tan anốt của kim loại). Trong số các quá trình có thể xảy ra này, quá trình thuận lợi nhất về mặt năng lượng sẽ được tiến hành. Nếu kim loại cực dương nằm trong một dãy điện thế tiêu chuẩn sớm hơn cả hai hệ thống điện hóa khác thì sự hòa tan anốt của kim loại sẽ được quan sát thấy. Nếu không, oxy sẽ được giải phóng hoặc anion sẽ được giải phóng.

Chúng ta hãy xem xét một số trường hợp điển hình của điện phân dung dịch nước.

Điện phân dung dịch CuCl 2 bằng cực dương trơ. Đồng nằm sau hydro trong dãy điện áp; do đó ion Cu 2+ sẽ phóng điện ở cực âm và đồng kim loại sẽ thoát ra. Các ion clorua sẽ được thải ra ở cực dương.

Sơ đồ điện phân dung dịch mel(II) clorua:

Catot ← Cu 2+ 2Cl - → Anode

Cu 2+ + 2e - =Cu 2Cl - =2Cl + 2e -

Điện phân dung dịch K 2 SO 4 bằng anot trơ. Vì kali xuất hiện sớm hơn nhiều so với hydro trong dãy điện áp nên hydro sẽ được giải phóng ở cực âm và OH - sẽ tích tụ. Ở cực dương, oxy sẽ được giải phóng và ion H+ sẽ tích tụ. Đồng thời, các ion K + sẽ đi vào không gian cực âm và các ion SO 4 2- sẽ đi vào không gian cực dương. Do đó, dung dịch ở tất cả các bộ phận của nó sẽ trung hòa về điện. Tuy nhiên, chất kiềm sẽ tích tụ trong không gian cực âm và axit sẽ tích tụ trong không gian anốt.

Sơ đồ điện phân dung dịch kali sunfat:

Cực âm ← 4K + 2SO 4 2- → Cực dương

4H 2 O + 4e - =4OH - + 4H 2H 2 O=4H + + 2O + 4e -

KOH 4H=2H 2 2O=O 2 H 2 SO 4

Điện phân dung dịch NiSO 4 bằng cực dương niken. Điện thế tiêu chuẩn của niken (-0,250 V) lớn hơn -0,41 V một chút; Vì vậy, trong quá trình điện phân dung dịch NiSO 4 trung tính ở cực âm, chủ yếu xảy ra hiện tượng phóng điện ion Ni 2+ và giải phóng kim loại. Ở cực dương, quá trình ngược lại xảy ra - quá trình oxy hóa kim loại, vì thế năng oxy hóa của niken nhỏ hơn nhiều so với thế năng oxy hóa của nước và thậm chí còn cao hơn thế năng oxy hóa của ion SO 4 2-. Vì vậy, trong trường hợp này, quá trình điện phân nhằm hòa tan kim loại của cực dương và tách nó ra ở cực âm.

Sơ đồ điện phân dung dịch niken sunfat:

Cực âm ← Ni 2+ SO 4 2- → Cực dương

Ni 2+ + 2e - =Ni Ni=Ni 2+ + 2e -

Quá trình này được sử dụng để tinh chế điện hóa niken.

Định luật Faraday

1. Định luật Faraday.

Khối lượng chất thoát ra trên điện cực khi có dòng điện đi qua dung dịch điện phân tỉ lệ thuận với lượng điện.

Trong đó ∆m là lượng chất phản ứng; Q - lượng điện năng; k e – hệ số tỷ lệ, cho biết lượng chất phản ứng trong quá trình truyền một đơn vị điện năng. Đại lượng k được gọi là đương lượng điện hóa.

k=M/(N A z│e│)

trong đó z là hóa trị của ion; M là khối lượng mol của chất thoát ra trên điện cực; N A là hằng số Avogadro. │e│= 1,6 10 -19 Cl.

2. Định luật Faraday.

Theo định luật thứ hai của Faraday, đối với một lượng điện nhất định được truyền qua, tỷ số khối lượng của các chất phản ứng bằng tỷ số đương lượng hóa học của chúng:

∆m 1 /A 1 =∆m 2 /A 2 =∆m 3 /A 3 =const

Đương lượng hóa học của một nguyên tố bằng tỉ số giữa phần khối lượng của nguyên tố đó thêm hoặc thay thế trong hợp chất hóa học một khối lượng nguyên tử hydro hoặc một nửa khối lượng nguyên tử oxy với 1/12 khối lượng của C 12 nguyên tử. Khái niệm “hóa học tương đương” cũng được áp dụng cho các hợp chất. Như vậy, đương lượng hóa học của một axit bằng khối lượng mol của nó chia cho độ bazơ (số lượng ion hydro), đương lượng hóa học của một bazơ là khối lượng mol của nó chia cho độ axit (đối với một bazơ vô cơ - số lượng hydroxyl nhóm), đương lượng hóa học của muối là khối lượng mol của nó chia cho tổng điện tích của cation hoặc anion.