Электродные реакции при электролизе водных растворов электролитов

Катионы	Катодная реакция восстановления
Li+, K+, Ca2+, Na+, Mg2+, Al3+	Восстановление воды: 2Н2О(ж) + 2е- ® Н2(г) + 2ОН-
Mn2+, Zn2+, Cr3+, Ni2+, Sn2+, Pb2+, H+	Параллельное восстановление катионов металла и воды: Mz+ + ze- ® M 2Н2О(ж) + 2е- ® Н2(г) + 2ОН-
Cu2+, Hg22+, Ag+, Pt2+, Au3+	Восстановление катионов металла: Mz+ + ze- ® M
Анионы	Анодная реакция окисления
I-, Br-, Cl-, S2- (А--анион)	Окисление анионов галогена и серы: АZ- ® А + ze-
SO42-, NO3-, CO32-, PO43-, F-	Окисление воды: 2Н2О(ж) ® Н+(р-р) + О2(г) + 2е-

Если проводить электролиз водного раствора Na₂SO₄, то в процессе электролиза будут участвовать только молекулы воды, давая на катоде водород, а на аноде кислород:

катод (восстановление): 2Н₂О(ж)+2е^-®Н₂(г)+2ОН^-(р-р);

анод (окисление): 2Н₂О(ж) ® 4Н⁺(р-р) + О₂(г) + 2е^-.

Экспериментальные исследования показали:

1) катионы металлов, имеющие небольшой стандартный электродный потенциал (от Li⁺ до Al³⁺), не восстанавливаются на катоде, вместо них восстанавливаются молекулы воды с выделением водорода. Катионы металлов, имеющие стандартный электродный потенциал больший, чем у Al³⁺, но меньший, чем у Н⁺, восстанавливаются на катоде параллельно с молекулами воды.

2) катионы таких металлов, как Cu²⁺, Ag⁺, Pt²⁺, Au³⁺, имеющие больший, чем у водорода, стандартный электродный потенциал, при электролизе восстанавливаются на катоде до металлов.

3) Анионы бескислородных кислот (I^-, Br^-, Cl^-, S^2-) легко окисляются на инертном нерастворимом аноде.

4) Если в растворе находятся анионы кислородных кислот SO₄^2-, NO₃^-, CO₃^2-, PO₄^3-, а также F^-, то на инертном аноде окисляются не эти анионы, а молекулы воды с выделением кислорода.

Очистка (рафинирование) меди

При электролизе водных растворов с использованием металлических электродов анод может окисляться, если его окислительный потенциал выше потенциала воды. Например, медь окисляется легче, чем вода. Свойство металлических электродов участвовать в окислительно-восстановительных реакциях находит применение в процессах очистки металлов от примесей или покрытия одних металлов другими.

Обычно медь в промышленности получают из сульфида меди по реакции:

Cu₂S(ж) + O₂(г) ® 2Сu(ж) + SO₂(г).

Такая медь называется губчатой, она содержит до 1% примесей других металлов, главным образом железа, цинка, серебра и золота. Чтобы использовать медь для изготовления электротехнических изделий, проводят рафинирование (очистку) губчатой меди в электролизере (рис. 46). Анод делают из губчатой меди, катод из чистой меди. Электролитом служит водный раствор CuSO₄ с добавлением небольшого количества серной кислоты. При электролизе медь анода растворяется, и чистая медь осаждается на катоде:

анод (окисление): Cu(т)® Cu²⁺(р-р) + 2е^-;

катод (восстановление): Cu²⁺(р-р) + 2е^- ® Cu(т).

Золото и серебро окисляются труднее, чем медь, и в виде незначительных по массе частичек металлов собираются на дне электролизера. В растворе остаются ионы железа и цинка.

Источник постоянного тока

-

+

Катод

Анод

SO₄^2-

Zn²⁺

Cu²⁺

Fe³⁺

Au,Аg

Рис. 46. Рафинирование меди

Покрытие одних металлов другими называется гальваническим покрытием или электроосаждением. При электроосаждении металл, который наносят на поверхность другого металла, выполняет роль анода. Например, если медные изделия покрывают слоем серебра, то анодом является серебряная пластина.