Реакции с перенесением электронов. Электролиз

ОПРЕДЕЛЕНИЕ:

• Степень окисления – это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный на основе предположения, что все соединения состоят только из ионов.

Степень окисления бывает: «+», «-», «0».

I. Степень окисления «0» - ноль:

1. Простые вещества: Н2, Са, О2, К…

2. Сложные в-ва (в сумме): Са+2О-2

(+2 – 2 =0)

Табл. 1:Степени окисления элементов в соединениях:

I – группа: С.О. +1 Na+1Cl, K+1Cl… II - группа: С.О. +2 Сa+2Cl2… III - группа: С.О. +2 Al+3Cl3… Кислород: С.О. -2 Na+1

2О-2, Сa+2О-2. Водород: С.О. +1, с металлами -1. F (фтор) С.О. -1, Cl (хлор) С.О -1 почти всегда.

Схема восстановления перманганат-иона (MnO4

-) в различных средах

2KMnO4+5Na2SO3+3H2SO4→2MnSO4+K2SO4+5Na2SO4+3H2O

2KMnO4+3Na2SO3+H2O→2MnO2+3Na2SO4+2KOH

2KMnO4+Na2SO3+2KOH→2K2MnO4+Na2SO4+H2O

MnO4-

MnO2↓Mn2+ MnO4

2-

OH-

H2OH+

А. Метод электронного баланса.Записывают уравнение в ионной форме:КмnO4 + KNO2 + H2SO4 =Перманганат калия содержит Mn+7, он может быть только окислителем . Нитрит калия содержит N+3, это промежуточный степень окисления и в этом случае, если Mn+7 – окислитель, то N+3 может быть только восстановителем. Восстановление Mn+7 в кислоц среде может проходить до Mn+2, а окиснение NO2

- до NO3-. Запишем

продукты реакции:

Mn+7 +5 е = Mn+2 5 2 окислитель; восстановление 10

N+3 -2 е = N+5 2 5 восстановитель; окиснение.Коэфициенты возле окислителя 2, возле восстановителя – 5:2KMnO4 + 5KNO2 + 3H2SO4 = K2SO4 + 2MnSO4 + 5KNO3 + 3H2O

OHSOKONKSOnMSOHONKOMnK 2423

5

4

2

422

3

4

4

1. Для связывания атомов кислорода кислородвместимых ионов (молекул) используют:

- в кислой среде: ионы Н+:MnO4

- + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O- в нейтральной и щелочной среде: молекулы воды:

CrO42- + 4H2O + 3e = Cr3+ + 8OH-

2. Для увеличения атома кислорода используют:- в кислой и нейтральной среде: молекулы воды:

AsO33- + H2O – 2e = AsO4

3- + 2H+

- в щелочной среде: гидроксид-ионы ОН-:H2PO2

- +6OH- -4e = PO43- + 4H2O

3. Для увеличпения количества атомов водорода используют:

- в кислой среде: ионы Н+:NO3

- + 9H+ + 8e = NH3 + 3H2O- в нейтральной и щелочной среде: молекулы воды:

NO2- + 5H2O + 6e = NH3 + 7OH-

4. Для связывания атомов водорода используют:- в нейтральной и щелочной среде: гидроксид-ионы ОН-:

AsH3 + 9OH- -6e = AsO33- + 6H2O

- в кисломй среде: такой процесс проходит без участия сторонних ионов:N2H4 – 4e = N2 + 4H+

OHKNOMnSOSOKSOHKNOKMnO 234424224

OHMneHMnO 22

4 458

HNOeOHNO 22 322

OHMneHMnO 22

4 8210162

HNOeOHNO 1051055 322

HOHNOMnOHHNOMnO 1085251652 232

224

Сокрощаем Н2О и Н+ в левой и правой части

OHNOMnHNOMnO 232

24 352652

OHSOKKNOMnSOSOHKNOKMnO 242344224 352352

5 2 102 5

+

42 2 SneSn 23 222 FeeFe

2432 22 FeSnFeSn

Гальванический элемент

Уравнение Нернста

][Re

][ln0

d

OX

nF

RTEE

][Re

][lg

059.00

d

OX

nEE

][

][lg

1

059.02

30

/ 32

Fe

FeEE

FeFe ][

][lg059.077.0

2

3

Fe

FeE

Рівняння процесу Ео,В

АлюмінійAlO2

– + 2H2O + 3e– = Al + 4OH–

Al3+ + 3e– = AlАрсен

H3AsO4 + 2H+ + 2e– = HAsO2 + 2H2O

AsO43– + 2H2O + 2e– = AsO2

– + 4OH–

HAsO2 + 3H+ + 3e– = As + 2H2O

AsO2– + 2H2O + 3e– = As + 4OH–

As + 3H+ + 3e– = AsH3

БісмутBi3+ + 3e– = Bi

БромBr2 + 2e– = 2Br–

Гідроген2H+ + 2e– = H2

Йод2IO3

– + 12H+ + 10e– = I2 + 6H2O

2IO3– + 6H2O + 10e– = I2 + 12OH–

I2 + 2e– = 2I–

КобальтCo2+ + 2e– = Co

КупрумCu2+ + 2e– = Cu

Cu(OH)2 + 2e– = Cu + 2OH–

–2,35–1,663

+0,56–0,71

+0,234–0,68–0,60

+0,317

+1,087

0,0000

+1,19+0,21

+0,536

–0,29

+0,345–0,22

Рівняння процесу Ео,В

МанганMnO4

– + e– = MnO42–

MnO4– + 2H2O + 3e– = MnO2 + 4OH–

MnO4– + 8H+ + 5e– = Mn2+ + 4H2O

MnO42– + 2H2O + 2e– = MnO2 + 4OH–

MnO2 + 4H+ + 2e– = Mn2+ + 2H2O

НітрогенNO3

– + 2H+ + e– = NO2 + H2O

NO3– + 3H+ + 2e– = HNO2 + H2O

NO3– + H2O + 2e– = NO2

– + 2OH–

NO3– + 4H+ + 3e– = NO + 2H2O

HNO2 + H+ + e– = NO + H2O

N2 + 4H2О + 4e– = N2H4 + 4OH–

N2H4 + 4H2O + 2e– = 2NH4OH + 2OH–

ОксигенO2 + 4H+ + 4e– = 2H2O

O2 + 2H+ + 2e– = H2O2

H2O2 + 2H+ + 2e– = 2H2O

СеленH2SeO3 + 4H+ + 4e– = Se + 3H2O

СтибійSbO2

– + 2H2O + 3e– = Sb + 4OH–

+0,564+0,60+1,51+0,60+1,23

+0,78+0.94–0,01

+0,957+0,99–1,15+0,1

+1,229+0,682+1,77

+0,744

–0,675

Уравнения Ео,В

СульфурSO4

2– + 4H+ + 2e– = H2SO3 + H2O

SO42– + H2O + 2e– = SO3

2– + 2OH–

SO42–+ 2H+ + 2e– = SO3

2– + H2O

SO42– + 10H+ + 8e– = H2S + 4H2O

SO42– + 8H+ + 8e– = S2– + 4H2O

SO32– + 3H2O + 4e– = S + 6OH–

S + 2H+ + 2e– = H2SS + 2e– = S2–

ФерумFe3+ + e– = Fe2+

ФосфорHPO3

2– + 2H2O + 2e– = H2PO2– + 3OH–

H2PO2– + e– = P + 2OH–

ХлорClO4

– + 4H2O + 8e– = Cl– + 8OH–

ClO4– + 8H+ + 8e– = Cl– + 8H2O

ClO3– + 6H+ + 6e– = Cl– + 3H2O

ClO3– + 3H2O + 6e– = Cl– + 6OH–

HClO + H+ + 2e– = Cl– + H2O

ClO– + H2O + 2e– = Cl– + 2OH–

Cl2 + 2e– = Cl–

+0,17–0,93+0,22+0,31

+0,149–0,66

+0,171–0,476

+0,771

–1,57–2,05

+0,56+1,38+1,45+0,63+1,5

+0,88+1,359

Уравнения Ео,В

ХромCr2O7

2– + 14H+ + 6e– = 2Cr3+ + 7H2O

CrO42– + 8H+ + 3e– = Cr3+ + 4H2O

CrO42– + 4H+ + 3e– = CrO2

– + 2H2O

CrO42– + 4H2O + 3e– = Cr(OH)3 + 5OH–

Cr(OH)3 + 3e– = Cr + 3OH–

Cr3+ + 3e– = CrЦинк

Zn2+ + 2e– = ZnZn(OH)2 + 2e– = Zn + 2OH–

ZnO22– + 2H2O + 2e– = Zn + 4OH–

+1,33+1,477+0,945–0,13–1,3

–0,74

–0,764–1,245–1,216

Электрохимический ряд металлов

металл

Li+/Li

Rb+/Rb

K+/K

Cs+/Cs

Ra2+/Ra

Ba2+/Ba

Sr2+/Sr

Ca2+/Ca

Na+/Na

Ac3+/Ac

La3+/La

Y3+/Y

E °,В

−3,045

−2,925

−2,924

−2,923

−2,916

−2,905

−2,888

−2,864

−2,771

−2,600

−2,522

−2,372

Mg2+/Mg

Sc3+/Sc

Be2+/Be

Al3+/Al

Ti3+/Ti

Mn2+/Mn

Cr2+/Cr

Zn2+/Zn

Ga3+/Ga

Fe2+/Fe

Cd2+/Cd

In3+/In

Co2+/Co

−2,370

−2,077

−1,847

−1,700

−1,208

−1,192

−0,852

−0,763

−0,560

−0,441

−0,404

−0,338

−0,277

Ni2+/Ni

Sn2+/Sn

Pb2+/Pb

H+/H2

SbIII/Sb

ReIII/Re

BiIII/Bi

Cu2+/Cu

Hg2+/Hg

Ag+/Ag

Rh3+/Rh

Pd2+/Pd

PtII/Pt

Au+/Au

−0,234

−0,141

−0,126

±0,000

+0,240

+0,300

+0,317

+0,338

+0,796

+0,799

+0,800

+0,915

+0,963

+1,691

Электролиз расплавов электролитовЭлектролиз

расплавов растворов

Схема электролиза расплава NaCl:NaCl→Na+ + Cl-

на аноде: 2Cl- - 2e = Cl2 на катоде: 2Na+ + 2e = 2Na

2Na+ + 2Cl- → 2Na +Cl22NaCl →2Na + Cl2

Терминология

• Электроj лиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, которое возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита.

Примеры электролиза расплавов:

Примеры электролиза растворов солей:

Электролиз воды

ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА

• Электролиз нашел широкое применение в технике, например в металлургии, химической промышленности и т. д.

1. Покрытие металлов слоем другого металла при помощи

электролиза (гальваностегия).

2. Получение копий с предметов при помощи электролиза (гальванопластика).

3. Рафинирование (очистка) металлов.

• Схематическое изображение электрохимической ячейки для исследования электролиза

• Схема электролиза расплава NaCl

222

22

22

2242242

22

442

22

22

OHeOH

Сумарна

HOeOHA

OHHeOHK

HOSONaOHSONa

I

I

22

2

2

2

22

2

ClCuCuCl

Сумарна

CleClA

CueCuK

CuCl

I

422224

22

22

02

4

2

442

222

2

SOHHOZnOHZnSO

Сумарна

HOeOHA

OHHeOH

ZneZnK

ZnSO

I

Электролиз CuCl2

LiKCaNaMgAlMnZnCrFeNiSnPbCuAgHgPtAu

Электролиз расстворов электролитов

I

III

II

І Катионы Ме (от Li до Al включительно) не восстановливаются, а восстановливается только Н+ и Н2О

2Н++2е→Н2

2Н2О+2е → Н2+2ОН-

ІІ Катионы Ме (от Mn до Pb включительно) восстановляются одновременно с Н2О

Zn2++2e → Zn0

Pb2++2e → Pb0

2Н2О+2е →Н2+2ОН-

ІІІ Катионы Ме (от Cu до Au включительно) легко полностью восстанавлюваются

Cu2++2e → Cu0

Au2++2e → Au0

Процессы на катоде

Процессы на аноде

Cl-,

Br-,

I-,

S2-, CN-

Анионы безкислородных кислот, кроме F-, легко окисляются

2Cl— -2e →Cl2

SO42-,

NO2-,

NO3-,

PO43-,

ClO4-

Анионы кислородсодержащих кислот не окисляются. В процессе участие берет ОН- и молекулы Н2О

4ОН- - 4е →О2+2Н2О

2Н2О – 4е →О2+4Н+

222

22

22

2242242

22

442

22

22

OHeOH

Сумарна

HOeOHA

OHHeOHK

HOSONaOHSONa

I

I

22

2

2

2

22

2

ClCuCuCl

Сумарна

CleClA

CueCuK

CuCl

I

422224

22

22

02

4

2

442

222

2

SOHHOZnOHZnSO

Сумарна

HOeOHA

OHHeOH

ZneZnK

ZnSO

I