Катодный и анодный процессы

Процессы, которые протекают в расплавах или растворах электролитов во время прохождения сквозь них постоянного электричества и сопровождаются окислительно-восстановительными реакциями. Раздел химии, который изучает данные процессы, называется электрохимия, а электрохимические превращения — электролизом.

Процесс электролиза всегда протекает с применением электродов (как положительно, так и отрицательно заряженных). Они участвуют в переносе электронов на границе расплав или раствор электролита, то есть на границе двух фаз. Превращения исследуют в электрохимических ячейках, которые включают в себя сосуд с расплавом (раствором электролита) и пропускающими постоянный электрический ток электродами. Нерастворимые состоят из платины, графита или золота, растворимые могут состоять из различных материалов.

В процессе диссоциации электролита выходит распад на катионы (положительно заряженные частицы) и анионы (отрицательно заряженные частицы).

Например,хлорида натрия распадается:

NaCl ↔ Na+ + Cl-

Когда мы поместим расплав данного электролита в электрохимическую ячейку, пропустим через электрический ток, то следовательно из нашей схемы — на катоде восстанавливаются катионы, а на аноде окисляются анионы. Сделаем вывод, что процесс электролиза это ничто иное как катодный и анодный процессы или окислительно-восстановительные реакции.

Продукты реакции зависят от того, в каком виде находится электролит (расплав или раствор), от материала электрода (инертный или растворимый), также от положения металла, который в составе соли и ряду напряжения. 

Сделаем вывод:

• Если катион электролита в ряду напряжения расположен до алюминия включительно, то на катоде идёт выделяется водород.
• Если катион металла находится в ряду напряжения между алюминием и водородом, то на катоде одновременно восстанавливаются ионы металла и молекулы воды. 
• Если катион металла расположен в ряду напряжения после водорода, то на катоде восстанавливается металл.                
• Если в растворе содержатся катионы разных металлов, то сначала восстанавливаются катионы металла, стоящего в ряду напряжения правее.
• При электролизе растворов бескислородных кислот (кроме фторидов) на аноде идет процесс окисления аниона.
•  При электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот и фторидов на аноде идёт процесс окисления воды. Анионы не окисляются.

Электролиз расплавов электролитов

Электролиз осуществляется для соединений с ионным типом связей (соли, щёлочи). 

В растворах электролитов присутствуют катионы, анионы, а также молекулы воды. При электролизе воды происходят следующие процессы:

• анод:
  2H2O → O2 + 4H+ + 4e–;
• катод:
  4H+ + 4e– → 2H2.

Или:

• анод:3H2O → O3 + 6e– + 6H+;
• катод:
  O2 + 2H2O + 2e– → H2O2 + 2OH–.

Общее уравнение: 

2H2O → 2H2 + O2.

Рассмотрим электролиз на примере хлорида натрия в случае нерастворимого и растворимого анода.

а) Анод нерастворимый.

Электролитическая диссоциация:

NaCl = Na+ + Cl-

на катоде (-) ионы натрия не восстанавливаются, остаются в растворе: 2H2O + 2ē → H2 + 2OH-

на аноде (+): 2Cl- — 2ē → Cl2

Суммарное ионное уравнение:

2H2O + 2Cl- = H2 + Cl2 + 2OH-

Учитывая присутствие ионов натрия в растворе, составим молекулярное уравнение:

2NaCl + 2H2O → H2 + Cl2 + 2NaCl

б) Анод растворимый (например, медный).

Если анод растворимый, то металл анода будет окисляться:

Cuо — 2ē → Cu2+   

на катоде (-): Cu2+ + 2ē → Cuо

на аноде (+): Cuо — 2ē  → Cu2+

Обобщение: 

Электролиз —  окислительно-восстановительный процесс при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита. На катоде протекают процессы восстановления, на аноде процессы окисления. При электролизе водных растворов могут участвовать также молекулы воды.