Какой электрод является анодом при электролизе

Характеристика химических процессов, протекающих при электролизе солей и коррозии металлов

Задание 1.

1) Какой объем водорода выделится при электролизе водного раствора К2SO4 при прохождении тока 10А в течении 40 минут? Выход по току 85%
2) Привести схемы электродных реакций и суммарные уравнения процессов, протекающих при электролизе раствора: а) Cu(NO3)2 с медным анодом, б) AgNO3 с инертным анодом
3) Записать схему коррозионного гальванического элемента и уравнения электродных реакций, если луженое (покрытое оловом) железо находится в кислой среде Н2SO4 при частичном нарушении целостности покрытия.
4) Для дыхания в замкнутых помещениях (подводные лодки, космические аппараты и др.) используют твердые источники кислорода, действие которых основано на самораспространяющейся экзотермической реакции между хлоратом или перхлоратом и горючим. Рассчитайте, какую массу кислородной свечи состава (масс.) 90% NaClO3, 3% Na2O, 3% Na2O2 и 4% слюды надо сжечь для повышения концентрации кислорода в каюте с 15 до 21 % (об.), имеющей площадь 12 м2 и высоту 2 м. Примите условно выход кислорода за 100 %. Запишите уравнения реакций.
Решение:

1. Расчет объёма водорода при электролизе водного раствора сульфата калия

р-р K2SO4; t = 40 мин = 2400 с;  I = 10 A; F = 96 500 Кл/моль

m (H2) — ?

Диссоциация молекулы К2SO4:  

К2SO4 = 2К+ + SO42-

На электродах протекают следующие реакции: 

Катод: 2|2Н+ + 2 = Н2
Анод: 1|2H2O — 4 = O2+ 4H+

Полное уравнение:

4Н+   + 2Н2О = 2Н2   + О2 + 4Н+

После сокращения ионов водорода в левой и правой частях уравнения, получим:

2Н2О = 2Н2   + О2

Так как на катоде выделяется водород: 

2|2Н+ + 2 = Н2; 

Тогда 

n = 2

m(Н2) = [M(Н2) . I . t]/(n . F) = (2 г/моль . 10 А . 2400 с)/(2 . 96500 A . c/моль) = 48000/193000 = 0,25 г.

Ответ: m(H2) = 0,25 г.
 

2. Схемы электродных реакций и суммарные уравнения процессов, протекающих при электролизе раствора: а) Cu(NO3)2 с медным анодом, б) AgNO3 с серебряным анодом

а) электролиз Cu(NO3)2 с медным электродом

Уравнение диссоциации:

CaSO4 ⇔ Ca2+ + SO42-

Стандартный электродный потенциал системы: Cu2+ + 2 ⇔ Cu (+0,34В) значительно положительнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление ионов меди:

Cu2+ + 2 ⇔ Cu0

На аноде будет происходить электрохимическое окисление меди – материала анода, поскольку, отвечающий системе:
Cu2+ — 2  ⇔ Cu  (+0,34В) значительно ниже 2SO42- + 2  ⇔  S2O82-  (+2,01В). Ионы  SO42-, движущиеся к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве.

Таким образом, на аноде будет происходить растворение меди — материал анода:
(Сu0 — 2 ⇔ Cu2+), а на катоде – выделение газообразного водорода.

В анодном пространстае будет накапливаться сульфат меди, а в катодном пространстве ионы меди, соединяясь с гидроксид-ионами, образуют малорастворимое соединение Cu(OH)ё.

Электронные уравнения процессов, происходящих на электродах в случае медного анода:

Катод: Cu2+ + 2 ⇔ Cu0
Анод: Сu0 — 2 ⇔ Cu2+

Суммарное уравнение катодного и анодного процессов будет иметь вид:

2Cu0 + Cu2+ = Cu2+ + Cu0
анод      катод

Электролиз сводится к переносу меди с анода на катод.

Таким образом, при электролизе CuSO4 с медным анодом на катоде будет наблюдаться выделение меди, на аноде будет происходить растворение материала анода (медь) и будут накапливаться ионы меди и сульфат-ионы.

б) AgNO3 с инертными электродами

Нитрат серебра диссоциирует согласно уравнению:

AgNO3 = Ag+  + NO3–.

Стандартный электродный потенциал системы Ag+ + 1  ⇔ Ag0 (+0,80В) значительно положительнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление ионов меди:

Ag+  + 1 = Ag0

На инертных электродах будут протекать следующие процессы:

Kатод(–): Ag+  + 1 = Ag0;
Анод(+): 2H2O — 4 = O2 +4H+.  

Суммарное уравнение катодного и анодного процессов будет иметь вид:

4Ag+ + 2H2O = 4Ag + 4H+  + O2.

Молекулярное уравнение:

4AgNO3 + 2H2O = 4Ag + 4HNO3 + O2.

Итак, в ходе электролиза раствора нитрата серебра на инертных электродах будут выделяться серебро (на катоде) и кислород (на аноде). 
 

3. Запись схемы коррозионного гальванического элемента и уравнения электродных реакций, если луженое (покрытое оловом) железо находится в кислой среде Н2SO4 при частичном нарушении целостности покрытия

Олово имеет менее отрицательный стандартный электродный потенциал (-0,14 В), чем железо (-0,44 В), поэтому оно является катодом, железо – анодом.

При контакте олова и железа в кислой среде при частичном нарушении целостности покрытия электрохимическая коррозия протекает с водородной деполяризацией, т.е. на катоде выделяется водород: 2H+ + 2 = H2.

В этом случае железо, как более активный метал, чем олово будет анодом на которм потекает процесс: Fe — 2 = Fe2+. 
Таким образом, при повреждении целостности покрытия луженного железа в кислой среде будет протекать процесс:

А (анод) (-): Fe — 2  =  Fe2+ – окисление;
К (катод) (+):2H+ + 2 = H2 — восстановление.

Ионно-молекулярная форма процесса:

Fe0 + 2H+ = Fe2+ + Н20

Таким образом, при контакте луженного железа с серной кислотой в месте его повреждения будет наблюдаться выделение пузырьков газообразного водорода в области катода (2H+ + 2  =  H2), а в области анода — ионы железа (Fe — 2 = Fe2+) и сульфат-ионы (SO42-), которые образуются при диссоциации серной кислоты (H2SO4 = 2H+ + SO42-).

4. Расчет массы кислородной свечи, необходимый для повышения концентрации кислорода в каюте подводной лодки с 15 до 21%

М(NaClO3) = 106,44 г/моль;
М(Na2O2) = 77,98 г/моль.
Объём помещения равен 24м3 (12 м2 . 2 м = 24 м3).

Определим объем кислорода, требуемый для повышения концентрации его в каюте с 15 до 21%, получим:

Vнач.(О2) = 24 . 0,15 = 3,6 м3 = 3600 л;
Vконеч.(О2) = 24 .0,21 = 5,04 м3 = 5040 л;
Vтреб.(О2) = 5040 — 3600 = 1,44 м3 = 1440 л.   

Для получения кислорода в автономных условиях можно использовать пероксидные соединения щелочных металлов (Na2O и Na2O2), а также хлорат натрия NaClO3. При пропускании через них обогащённого углекислым газом воздуха, происходит поглощение углекислого газа и выделение кислорода.

Уравнения химических реакций имеют вид:

2NaClO3 = 2NaCl + 3O2;
2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2;
Na2O + СО2 = Na2CO3.

Из уравнений реакций вытекает, что на выделение 3 моль кислорода затрачивается 2 моль хлората натрия, а 2 моль пероксида натрия 1 моль кислорода. Оксид натрия в образовании кислорода не участвует, потому что он поглощает углекислый газ. Таким образом, 1,5n(NaClO3) = n(O2); 0,5n(Na2O2) = n2(O2).

В 100 г свечи содержится 90 г NaClO3, 3 г Na2O2. Отсюда рассчитаем количество NaClO3 и Na2O2 в 100 г кислородной свечи, получим:

n(NaClO3) = m(NaClO3)/M(NaClO3) = 90/106,44 = 0,8455 моль;
n(Na2O2) = m(Na2O2)/M(Na2O2) = 3/77,98 = 0,0385 моль.

Рассчитаем объем кислорода, который выделяется при сжигании 100 г кислородной свечи.

Общее количество кислорода, выделяемого 100 г кислородной свечой рассчитаем:

nобщ.(O2) = 1,5n(NaClO3) + 0,5n(Na2O2) = (1,5 . 0,8455) + (0,5 . 0,0385) = 1,26825 + 0,01925 = 1,2875 моль.

Тогда

V(O2) = nобщ.(O2) . Vm = 1,2875 . 22,4 = 28,84 л. 

Таким образом, при сжигании 100 г кислородной свечи образуется 28,84 л кислорода. 

Необходимую массу кислородной свечи рассчитаем из пропорции:

28,84 л кислорода : 100 г свечи = 1440 л кислорода : х г свечи

Отсюда

х = (1440 .

Источник: http://buzani.ru/zadachi/obshchaya-khimiya/1635-protsessy-elektroliza-solej-i-korrozii-zheleza-zadanie-1

Глава 6. Основы электрохимии

Электролиз — это совокупность процессов, происходящих на поверхностях электродов, погруженных в раствор или расплав электролита, при пропускании через них электрического тока. При электролизе электрическая энергия от внешнего источника тока превращается в энергию окислительно-восстановительных реакций.

При электролизе внешний источник тока подключен к электродам — катоду и аноду: при этом к катоду подключен отрицательный полюс источника тока, а к аноду — положительный. Электроды погружаются в раствор или расплав электролита.

Так как в растворах электролитов имеются ионы, то под действием внешнего электрического поля они движутся к противоположно заряженным электродам (положительные ионы-катионы движутся к катоду, а отрицательные ионы-анионы движутся к аноду) и на поверхности их окисляются (на аноде) или восстанавливаются (на катоде) до чистых (элементарных) веществ (рис.2). Устройство, в котором происходит процесс электролиза называется электролизером.

Наиболее простым является электролиз расплавов электролитов, так как эта система содержит только ионы, образующиеся из молекул электролита.

Пример: рассмотрим электролиз расплава NaCl.

При расплавлении NaCl происходит распад молекул на ионы, которые движутся в электролизере к соответствующим электродам

NaCl     ®     Na+      +       Cl-
на катод	на анод

На поверхности электродов будут протекать окислительно-восстановительные реакции:

Катодный процесс: Na+ + 1e ® Nao

Анодный процесс: 2Cl- — 2e ® Cl2

То есть на катоде выделяется чистый натрий, а на аноде — газообразный чистый хлор.

6.3.3 Электролиз растворов

Электролиз растворов электролитов — более сложный процесс, так как помимо самого электролита в данной системе содержатся молекулы воды. Рассмотрим процессы, происходящие на поверхности инертных электродов, в этом случае.

Характер катодных процессов определяется величиной электродного потенциала того металла, ионы которого движутся к катоду.

1. Если ЕМе < -1,6В (а к таким металлам относятся Na, K, Ca, Mg, Al), то ион этого металла не может восстановиться на катоде, а вместо него восстанавливаются молекулы воды

а на катоде выделяется газообразный водород.

2. Если -1,6В < ЕМе < 0В (к таким металлам относятся Zn, Fe, Sn, Cr, Ni, Pb), то

на катоде одновременно восстанавливаются ионы металла и молекулы воды

Men+ + ne ® Meo

то есть на катоде выделяется чистый металл и газообразный водород.

3. Если ЕМе > 0В (к таким металлам относятся Cu, Ag, Hg, Au), то на катоде выделяется чистый металл

Men+ + ne ® Meo.

Характер анодных процессов определяется строением анионов (к ним относятся ионы кислотных остатков и ион ОН-), а также материалов, из которого изготовлен анод. В данном случае возможны следующие варианты:

1. Анионы простого строения (Cl-, Br-, I-, S2-) непосредственно окисляются на поверхности анода да чистого вещества.

Например:

2Сl- — 2e ® Cl2.

2. Анионы сложного строения (кислородсодержащие ионы SO42-, CO32-, PO43- и т.д.) на аноде не изменяются, а вместо них окисляются молекулы воды

и при этом выделяется газообразный кислород.

3. Если анод выполнен не из инертного (уголь, графит, платина) материала, то в процессе электролиза происходит окисление металла анода и переход ионов металла в раствор (то есть анод разрушается)

Meo — ne ® Men+.

Таким образом, при электролизе растворов на катоде можно получить чистые металлы и (или) газообразный водород, на аноде — чистые неметаллы (галогены и серу) или газообразный кислород.

Например: разобрать схему электролиза раствора медного купороса CuSO4.

Решение:

При растворении медного купороса в воде происходит распад соли на ионы, которые в электролизере направляются к противоположно заряженным электродам

CuSO4     =     Cu2+     +     SO42-
на катод	на анод

Ион металла движется на катод, но так как. ЕCuо > 0 в, то на катоде будет выделяться читый металл (см. характер катодных процессов). Ион кислотного остатка движется на анод и так как ион SО42- является сложным ионом, то на аноде будет в чистом виде выделяться кислород (см. характер анодных процессов). То есть на электродах будут протекатьследующие реакции

Катодный процесс: Cu2+ + 2e = Cuo

Анодный процесс:

6.3.4 Законы электролиза

Законы электролиза (иначе их называют законами Фарадея) позволяют количественно оценивать электрохимические превращения, протекающие в системе при электролизе расплавов или растворов.

1-ый закон электролиза: масса превратившегося на электроде вещества прямо пропорциональна величине электрохимического эквивалента вещества и количеству пропущенного через систему электричества.

Электрохимический эквивалент определяется по формуле

(6.7)

где: k — электрохимический эквивалент, г/(моль·кулон);

mэкв — эквивалентная масса вещества, г/моль;

F — постоянная Фарадея, F = 96500 кулон;

A — атомная (мольная) масса вещества, превращающаяся на электроде;

n — заряд иона вещества или степень окисления (по модулю).

Количество электричества Q ( в кулонах), прошедшего через систему, определяется по известной в курсе физике формуле

Q = I·t

где: I — сила тока электролиза, А;

t — время электролиза, с.

Таким образом, полное математическое выражение для 1-го закона электролиза имеет вид

или

(6.8)

Нетрудно определить, что если Q = F, то m = A/n = mэкв, то есть физический смысл постоянной Фарадея F — это количество электричества, которое необходимо пропустить через систему при электролизе, чтобы на электроде выделилась масса вещества, равная его эквивалентной массе (F = 96500 кулон).

Например : определить массу вещества, которая выделится на аноде при электролизе раствора Н3РО4 током 10А в течение 965 с.

Решение:

1. Рассмотрим схему электролиза раствора Н3РО4 и определим вещество, которое будет выделяться на аноде при электролизе данного раствора:

Н3РО4     ®     3Н+     +     РО43-
на катод	на анод

Так как ион РО43- является сложным анионом, то согласно характеру анодных процессов, на аноде будет выделяться газообразный кислород (атомная масса кислорода по таблице Д.И.Менделеева равна 16, степень окисления равна -2).

2. Определим массу выделившегося вещества, согласно 1-му закону электролиза

m = A·I·t / (n·F) = 16·10·965/(2·96500) = 0,8 г.

Ответ: на аноде выделится 0,8 г О2.

2-ой закон электролиза: при последовательно включенных в электрическую цепь электродах, массы выделившихся при электролизе веществ относятся друг к другу, как их эквивалентные массы, то есть

m(1) / m(2) = mэкв(1) / mэкв(2)

где: m(1) и m(2) — массы выделившихся на электродах веществ;

mэкв(1) и mэкв(2) — эквивалентные массы этих веществ.

Из данного закона можно выделить очень важное следствие: массы веществ, выделившихся на катоде и аноде, при электролизе относятся друг к другу, как их эквивалентные массы, то есть

m(к) / m(а) = mэкв(к) / mэкв(а)

где: m(к) и m(а) — массы выделившихся на катоде и аноде веществ;

mэкв(к) и mэкв(а) — эквивалентные массы этих веществ.

Применяя 2-ой закон электролиза, можно определить массу выделившегося на электроде вещества, если известна масса вещества, выделившаяся на другом электроде.

Пример: определить массу выделившегося на катоде вещества при электролизе раствора К2СО3, если на аноде при этом выделилось 4 г вещества.

Решение:

1. Определим вещества, выделяющиеся на электродах при электролизе раствора К2СО3

К2СО3     ®     2К+     +     СО32-
на катод	на анод

По характеру катодных и анодных процессов определяем, что на катоде выделяется газообразный водород Н2, а на аноде — газообразный кислород О2.

2. Используем 2-ой закон электролиза для определения массы вещества, выделившегося на катоде:

m(к) / m(а) = mэкв(к) / mэкв(а), следовательно

m(Н2) = mэкв(Н2)·m(О2) / mэкв(О2).

Так как mэкв(Н2) = А(Н2) / n(Н2) = 1/1 = 1г/моль

и mэкв(О2) = А(О2)/n(О2) = 16/2 = 8 г/моль,

то имеем

m(Н2) = mэкв(Н2)·m(О2) / mэкв(О2) = 1·4/8 = 0,5 г.

Ответ: на катоде выделилось 0,5г Н2.

Источник: https://cde.osu.ru/courses2/course93/g6_3.html

Самая удобная и увлекательная подготовка к ЕГЭ

Если в раствор или расплав электролита опустить электроды и пропустить постоянный электрический ток, то ионы будут двигаться направленно: катионы к катоду (отрицательно заряженному электроду), анионы к аноду (положительно заряженному электроду).

На катоде катионы принимают электроны и восстанавливаются, на аноде анионы отдают электроны и окисляются. Этот процесс называют электролизом.

Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении электрического тока через расплав или раствор электролита.

Электролиз расплавленных солей

Рассмотрим процесс электролиза расплава хлорида натрия. В расплаве идет процесс термической диссоциации:

$NaCl→Na{+}+Cl{-}.$

Под действием электрического тока катионы $Na{+}$ движутся к катоду и принимают от него электроны:

$Na{+}+ē→{Na}↖{0}$ (восстановление).

Анионы $Cl{-}$ движутся к аноду и отдают электроны:

$2Cl{-}-2ē→{Cl_2}↖{0}$ (окисление).

Суммарное уравнение процессов:

$Na{+}+ē→{Na}↖{0}|2$

$2Cl{-}-2ē→{Cl_2}↖{0}|1$

$2Na{+}+2Cl{-}=2{Na}↖{0}+{Cl_2}↖{0}$

или

$2NaCl{→}↖{\text»электролиз»}2Na+Cl_2$

На катоде образуется металлический натрий, на аноде — газообразный хлор.

Главное, что вы должны помнить: в процессе электролиза за счет электрической энергии осуществляется химическая реакция, которая самопроизвольно идти не может.

Электролиз водных растворов электролитов

Более сложный случай — электролиз растворов электролитов.

В растворе соли, кроме ионов металла и кислотного остатка, присутствуют молекулы воды. Поэтому при рассмотрении процессов на электродах необходимо учитывать их участие в электролизе.

Для определения продуктов электролиза водных растворов электролитов существуют следующие правила:

1. Процесс на катоде зависит не от материала, из которого сделан катод, а от положения металла (катиона электролита) в электрохимическом ряду напряжений, при этом если:

1.1. Катион электролита расположен в ряду напряжений в начале ряда по $Al$ включительно, то на катоде идет процесс восстановления воды (выделяется водород $Н_2$). Катионы металла не восстанавливаются, они остаются в растворе.

1.2. Катион электролита находится в ряду напряжений между алюминием и водородом, то на катоде восстанавливаются одновременно и ионы металла, и молекулы воды.

1.3. Катион электролита находится в ряду напряжений после водорода, то на катоде восстанавливаются катионы металла.

1.4. В растворе содержатся катионы разных металлов, то сначала восстанавливается катион металла, стоящий в ряду напряжений правее.

Катодные процессы

$Li K Ca Na Mg Al$ $Li{+} K{+} Ca{2+} Na{+} Mg{2+} Al{3+}$	$Mn Zn Fe Ni Sn Pb$ $Mn{2+} Zn{2+} Fe{2+} Ni{2+} Sn{2+} Pb{2+}$	$H_2$ $2H{+}$	$Cu Hg Ag Pt Au$ $Cu{2+} Hg_2{2+} Ag{+} Pt{2+} Au{3+}$
Восстанавливается вода: $2H_2O+2ē=H_2+2OH{−};$$M{n+}$ не восстанавливается	Восстанавливаются катионы металла и вода: $M{n+}+nē=M0$ $2H_2O+2ē=H_2+2OH{−}$	Восстанавливаются катионы металла: $M{n+}+nē=M0$
$nē→$Усиление окислительных свойств катионов (способности принимать электроны)

2. Процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аниона.

Анодные процессы

Кислотный остаток $Ас{m–}$	Анод
Растворимый	Нерастворимый
Бескислородный	Окисление металла анода $M{−}−nē=M{n+}$анод раствор	Окисление аниона (кроме $F{–}$) $Ac{m−}−mē=Ac0$
Кислородсодержащий	В кислотной и нейтральной средах: $2H_2O−4ē=O_2+4H{+}$ В щелочной среде:$4OH{−}−4ē=O_2+4H{+}$

2.1. Если анод растворяется (железо, цинк, медь, серебро и все металлы, которые окисляются в процессе электролиза), то окисляется металл анода, несмотря на природу аниона.

2.2. Если анод не растворяется (его называют инертным — графит, золото, платина), то:

а) при электролизе растворов солей бескислородных кислот (кроме фторидов) на аноде идет процесс окисления аниона;

б) при электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот и фторидов на аноде идет процесс окисления воды (выделяется $О_2$). Анионы не окисляются, они остаются в растворе;

в) анионы по их способности окисляться располагаются в следующем порядке:

Попробуем применить эти правила в конкретных ситуациях.

Рассмотрим электролиз раствора хлорида натрия в случае, если анод нерастворимый и если анод растворимый.

1) Анод нерастворимый (например, графитовый).

В растворе идет процесс электролитической диссоциации:

Суммарное уравнение:

$2H_2O+2Cl{-}=H_2+Cl_2+2OH{-}$.

Учитывая присутствие ионов $Na{+}$ в растворе, составляем молекулярное уравнение:

2) Анод растворимый (например, медный):

$NaCl=Na{+}+Cl{-}$.

Если анод растворимый, то металл анода будет окисляться:

$Cu{0}-2ē=Cu{2+}$.

Катионы $Cu{2+}$ в ряду напряжений стоят после ($Н{+}$), по этому они и будут восстанавливаться на катоде.

Концентрация $NaCl$ в растворе не меняется.

Рассмотрим электролиз раствора сульфата меди (II) на нерастворимом аноде:

$Cu{2+}+2ē=Cu{0}|2$

$2H_2O-4ē=O_2+4H{+}|1$

Суммарное ионное уравнение:

$2Cu{2+}+2H_2O=2Cu{0}+O_2+4H{+}$

Суммарное молекулярное уравнение с учетом присутствия анионов $SO_4{2-}$ в растворе:

Рассмотрим электролиз раствора гидроксида калия на нерастворимом аноде:

$2H_2O+2ē=H_2+2OH{-}|2$

$4OH{-}-4ē=O_2+2H_2O|1$

Суммарное ионное уравнение:

$4H_2O+4OH{-}=2H_2+4OH{-}+O_2+2H_2O$

Суммарное молекулярное уравнение:

$2H_2O{→}↖{\text»электролиз»}2H_2+O_2$

В данном случае, оказывается, идет только электролиз воды. Аналогичный результат получим и в случае электролиза растворов $H_2SO_4, NaNO_3, K_2SO_4$ и др.

Электролиз расплавов и растворов веществ широко используется в промышленности:

1. Для получения металлов (алюминий, магний, натрий, кадмий получают только электролизом).
2. Для получения водорода, галогенов, щелочей.
3. Для очистки металлов — рафинирования (очистку меди, никеля, свинца проводят электрохимическим методом).
4. Для защиты металлов от коррозии (хрома, никеля, меди, серебра, золота) — гальваностегия.
5. Для получения металлических копий, пластинок — гальванопластика.

Источник: https://examer.ru/ege_po_himii/teoriya/elektroliz_rasplavov_i_rastvorov

Катод и анод

Иногда требуется подключить к источнику питания постоянного тока электроды какого-либо прибора или элемента. Их присоединяют, соблюдая полярность. Катод и анод – так называются проводники (электроды) устройства, с помощью которых выполняется это подключение. Однозначного понятия этих двух терминов нет. Их различают в зависимости от того, в каких химических и физических процессах применяют эти обозначения.

Понятие катода и анода

В электрической технике вывод, присоединяемый к положительной клемме источника питания (ИП), называют анодом (А). Электрод, присоединённый к минсовому выводу ИП, – катодом (К). В переводе с греческого языка анод – «восхождение, движение вверх», катод – «нисхождение, движение вниз». С этими названиями можно встретиться в таких разделах физики и химии, как:

• гальванические источники питания;
• электролиз и гальванотехника;
• полупроводники и вакуумная электроника.

Кроме того, этими терминами обозначаются выводы элементов на схемах и знаки их заряда.

Обозначение в электрохимии и цветной металлургии

Что такое диод — принцип работы и устройство

Понятие анодов в электролитических процессах применимо в отношении положительно заряженных электродов. Электролиз, с помощью которого выделяются или очищаются различные химические элементы, – это влияние электрического тока на электролит. Электролитом выступают растворы солей или кислот. Другим электродом, участвующим в этой реакции, выступает катод.

Внимание! На отрицательно заряженном катоде (К) осуществляется реакция восстановления, на аноде (А) – процесс окисления. При этом «А» может частично разрушаться, участвуя в очищении металлов от нежелательных добавок.

В металлургической промышленности аноды используют при нанесении защитных слоёв на продукт электрохимическим методом (гальваника) или электро-рафинированием. Электрическое очищение позволяет растворять на «А» черновой металл (с примесями) и осаждать его на «К» уже в очищенном виде.

Ряд часто применяемых анодов – изготовленные из металлов:

• цинка;
• меди;
• никеля;
• кадмия;
• свинцовые (сплав свинца с сурьмой);
• серебра;
• золота;
• платины.

Никелирование, оцинкование и прочее нанесение защитных или эстетически востребованных покрытий на изделия выполняются в основном из недрагоценных металлов.

С помощью «А» из драгметаллов повышают электропроводность компонентов электрических изделий и наносят слои благородных металлов на ювелирные украшения.

К сведению. Осаждаемый на катоде чистый металл также называют «катодом». Например, чистая медь полученная таким образом именуется «медный катод». Дальше её используют для изготовления медной фольги, проволоки и прочего.

Анод и катод в вакуумных электронных приборах

Катод — определение и практическое применение

Электронная лампа является простейшим вакуумным устройством. Она состоит из следующих деталей:

Три этих элемента составляют вакуумный диод. У него «К» цилиндрической формы, внутри которого располагается нить накаливания. Она подогревает «К» для увеличения термоэлектронной эмиссии.

В таких приборах электроны покидают «К» и в вакууме направляются к «А», тем самым создавая электрический ток. Анод – это электрод лампы с положительным потенциалом. Он выполняется в виде короба окружающего сетку и «К».

Может быть из молибдена, тантала, графита, никеля. Его конструкция различна, порой имеет рёбра для теплоотвода.

Сетка – элемент, расположенный посередине, управляет потоком частиц. Чаще всего она выполнена в виде спирали, обвивающей катод.

Важно! Чем больше площадь поверхности катода, и чем сильнее он разогрет, тем больший ток протекает через лампу.

«А» и «К» у вакуумного диода

Анод и катод у полупроводниковых приборов

Как проверить стабилитрон мультиметром

Полупроводниковые элементы проводят электричество в определённом направлении. Если рассматривать полупроводниковый диод, то его электроды также носят название «катод» и «анод».

При прикладывании к нему прямого напряжения: положительный заряд к аноду, диод открыт. Если положительный потенциал приходит на катод, диод закрыт. Такой диод имеет p-n переход между двумя этими областями и требователен к приложенной полярности.

Вывод элемента из p-области именуется «А», из n-области – «К».

Знак анода и катода

Каким знаком обозначается «К», каким «А», зависит от того, какая процедура и в какой области рассматривается. В электрохимии есть два устройства, имеющие различие в обозначении знаками: электролизёр и гальванический элемент.

При электролизе (окислительно-восстановительном химическом взаимодействии под влиянием внешнего ИП) минусом «-» обозначают катод.  Именно на нём восстанавливаются металлы, из-за избытка электронов. Плюсом «+», в свою очередь, маркируют анод (положительный электрод), где металлы окисляются из-за недостатка отрицательно заряженных частиц.

Знаки зарядов при электролизе

В гальваническом элементе окисление происходит без внешнего воздействия электричества. Если взять в качестве примера медно-цинковую батарею, то большое количество электронов (минус) скапливается на аноде. Они при продвижении по внешней цепи участвуют в восстановлении меди. Значит, в этом случае положительным электродом будет катод.

Внимание! У гальванических элементов плюсом является катод, минусом – анод. У электролизёров наоборот – плюсом считают анод, минусом – катод.

Знаки зарядов у гальванической батареи

У полупроводниковых приборов, как знак, так и термин, чётко закреплены за выводами детали. Анод – это «плюс», катод – это «минус» диода.

Почему существует путаница

Всё происходит от того, что нет чёткой привязки минуса и плюса к компонентам, которые называются «К» и «А». Ещё Майкл Фарадей придумал простое правило маркировки полярности для этой пары электродов.

Что такое анод, по его объяснениям? Учёный при запоминании определения предлагал проводить аналогию с Солнцем. Куда ток входит (восход) – это анод, куда ток выходит (закат) – это катод.

У аккумуляторов полярность на аноде и катоде изменяется от того, работает он как гальванический элемент (при разряде) или как электролизёр (при заряде).

Сварка постоянным током также неоднозначно определяет «А» и «К» при зажигании дуги прямой или обратной полярностью.

Знаки «А» и «К» при сварке постоянным током

Как определить анод и катод

Что это такое катод и анод, выясняют в частных моментах: при определении выводов у полупроводниковых элементов или при идентификации электродов в электрохимических процессах.

Полупроводниковый диод требует позиционного размещения в электросхемах. Для правильного соединения необходимо отождествить выводы. Это можно сделать по следующим признакам:

• маркировка, нанесённая на корпус элемента;
• длина выводов детали;
• показания тестера при измерениях в режиме омметра или проверки диодов;
• использование источника тока с известной полярностью.

Маркировка полупроводников такого типа может быть выполнена при помощи нанесения на корпус графического обозначения диода. Тогда минус (К) – это вывод со стороны вертикальной линии, в которую упирается контур стрелки. Ножка диода, от которой выходит стрелка, – это плюс (А). Так графически указано прямое направление тока – от «А» к «К».

Другим способом обозначения анода у диодного элемента могут быть нанесённые на корпус одна или две цветные точки или пара узких колец. Существуют конструктивно выполненные диоды, у которых минусовой (катодный) вывод обозначен широким серебряным кольцом. Диод 2А546А-5 (ДМ) служит таким примером.

Примеры нанесения меток на диоды

Длина ножек светодиодов, ни разу не паянных в платы, также может указывать на полярность выводов. У led-диодов длинная ножка – это положительный электрод, короткая – отрицательный вывод. К тому же форма корпуса (обрез края окружности) может служить ориентиром.

Полярность выводов led-диодов

При определении мультиметром полярности контактных выводов полупроводника подключают его в режиме тестирования диодов. Если на дисплее появились цифры, значит, диод подключён в прямом направлении. При этом красный щуп подсоединён к аноду «+», чёрный – к катоду «-».

Если под рукой нет тестера, определить названия выводов диода можно, собрав последовательную цепь из батарейки, лампочки и диода. При прямом включении лампочка загорится, значит, плюс батарейки – на аноде и аналогично минус – на другом электроде.

Информация. Электроды светодиода можно идентифицировать с помощью постоянного ИП с заведомо известной полярностью и включенного последовательно резистора, ограничивающего ток. Свечение элемента укажет на прямое включение. Для этой цели можно взять батарейку RG2032 на 3 вольта и резистор сопротивлением 1кОм.

Включение светодиода через ограничивающий резистор

Что касается полупроводников, всегда существует строгое соответствие наименований. В других случаях правильное определение проходящих электрохимических реакций поможет чётко ориентироваться в отождествлении электродов.

Источник: https://amperof.ru/teoriya/katod-i-anod.html

Анод и катод: что это такое, как их определить, применение

Для корректной работы полупроводниковых приборов, работающих в цепях с постоянным током, электроды радиоэлементов необходимо подключать с учетом их полярности. Неправильное подключение может привести к выходу из строя радиоэлемента либо к отказу в работе электронного прибора. С целью избегания ошибок электроды таких деталей получили специальное название – анод и катод.

Часто эти электроды обозначаются на схемах соответствующими символами «+» или «–», либо определяются по схематическому изображению радиоэлемента. На корпусах деталей иногда проставляется точка или другая метка, позволяющая определить направление тока на конкретном электроде. Иногда полярность выводов приходится определять по специальным таблицам или с помощью измерительного прибора.

Понятие анода и катода

Для лучшего понимания терминов дадим определения этих понятий.

Анод

Под данным термином будем подразумевать электрод, по которому электрический ток втекает в разглядываемый прибор. При этом подразумевается, что электрический ток образуется потоком положительных зарядов. В действительности, по металлическим проводникам перемещаются электроны (носители отрицательных зарядов), которые движутся в сторону положительного полюса источника электрического тока.

Проще говоря, положительным электродом будем считать анод, а отрицательным электродом – катод. При подключении радиоэлементов следует соблюдать их полярность, руководствуясь обозначениями на схемах.

Катод

Это электрод, по которому электрический ток вытекает с прибора (подразумевается конвенциальное понимание тока, в виде потока положительных зарядов). Таким образом, если к  аноду подключается провод с положительным потенциалом, то к катоду – клеммы с отрицательными потенциалами.

Вышеуказанные термины применяются по отношению к гальваническим элементам. В гальванике анод – это электрод, на поверхности которого проходит реакция окисления металла. Названия электродов  встречаются:

• в химии;
• физике;
• электротехнике;
• радиоэлектронике.

При монтаже радиодеталей очень важно не перепутать электроды. Для этого необходимо знать, как определить их назначение.

Как определить, где анод, а где катод?

При определении катода и анода необходимо в первую очередь ориентироваться на направление тока, а не на полярность источника питания. Несмотря на то, что эти понятия тесно связаны с полярностью тока, они больше обусловлены направлениями векторов электричества.

Например, в аккумуляторах, при перезарядке, происходит изменение ролей катода и анода. Это связано с тем, что во время зарядки изменяется направление электрического тока. Электрод, выполнявший роль электрода при работе аккумулятора в режиме источника питания во время зарядки выполняет функции катода и наоборот – катод превращается в анод.

На рис. 1, изображено процесс электролиза, при котором происходит перемещение анионов (отрицательных ионов) и катионов (положительных ионов). Анионы устремляются к аноду, а положительные катионы – в сторону катода.

Рис. 1. Электролиз

При электролизе перемещаются носители зарядов разных знаков, однако, по определению, анодом является тот электрод, в который втекает ток. На рисунке анод подсоединён к положительному полюсу источника тока, а значит, ток условно втекает в этот электрод.

Обратите внимание на рисунок 2, где изображена схема гальванического элемента.

Рис. 2. Гальванический элемент

Плюсовой вывод источника тока является катодом, а не анодом, как можно было бы ожидать. При внимательном изучении принципа работы гальванического элемента можно понять, почему анод является отрицательным полюсом.

Обратите внимание на рисунок строения гальванического источника тока. Стрелки (вверху) указывают направление движения электронов, однако направлением тока условно принято считать перемещение от плюса к минусу.

То есть, при замыкании цепи, ток входит именно в отрицательный полюс, который и является анодом, на котором происходит реакция окисления.

Иначе говоря, ток от положительного электрода через нагрузку попадает на анод, являющийся отрицательным полюсом гальванического элемента. При вдумчивом подходе все стает на свои места.

При определении позиций анода и катода в радиоэлектронных элементах пользуются справочными материалами.

На назначение электродов указывает:

• форма корпуса (рис. 3);
• длина выводов (для светодиодов) (рис. 4);
• метки на корпусах приборов или знака анода;
• различная толщина выводов диода.

Рис. 3. Диод Рис. 4. Электроды светодиода

Определение назначений выводов у полупроводниковых диодов можно определить с помощью измерительных приборов. Например, все типы диодов (кроме стабилитронов) проводят ток только в одном направлении. Если вы подключили тестер или омметр к диоду, и он показал незначительное сопротивление, то к положительному щупу прибора подключен анод, а к отрицательному – катод.

Если известен тип проводимости транзистора, то с помощью того же тестера можно определить выводы эмиттера и коллектора. Между ними сопротивление бесконечно велико (тока нет), а между базой и каждым из них проводимость будет (только в одну сторону, как у диода). Зная тип проводимости, по аналогии с диодом, можно определить: где анод, а где катод, а значит определить выводы коллектора или эмиттера (см. рис. 5).

Рис. 5. Транзистор на схемах и его электроды

Что касается вакуумных диодов, то их невозможно проверить путем измерения обычными приборами. Поэтому их выводы расположены таким образом, чтобы исключить ошибки при подключении. В  электронных лампах выводы точно совпадают с расположением контактов гнезда, предназначенного для этого радиоэлемента.

Анод и катод: где плюс, а где минус?

Из сказанного выше следует, что ток всегда течет в направлении от анода к катоду. Вывод один – на анод поступает плюс, а катод подсоединяется к минусу. Придерживаясь этого правила можно безошибочно определить, где плюс, а где минус.

Вот так можно запомнить:)

В гальванотехнике на катоде происходит реакция восстановления. То есть положительные ионы из раствора оседают на катоде. По этому признаку определяем знак минус.

Как определить катод и анод радиодеталей мы рассмотрели выше. Если есть схема устройства то по ней довольно легко можно указать направление тока, и, соответственно, назначение электродов. При отсутствии схемы пользуйтесь признаками и метками на корпусах деталей.

Примечание: по отношению к стабилитрону некорректно применять термин катод и анод, так как он проводит ток в разных направлениях.

Отдельно заострю ваше внимание на элементах питания. Обычно «+» указывается на гальванических устройствах, а на аккумуляторах часто маркируются обе клеммы. В аккумуляторах автомобильного типа плюсовую клемму делают толще. По этому признаку также можно определить полярность полюсов.

В качестве выводов см. рисунок 6.

Рис. 6. Выводы

Цифрами обозначено:

• 1– анод;
• 2 – электролит;
• 3 – катод;
• 4 – источник тока.

Применение

Электроды в качестве анода и катода наиболее часто применяются:

• в электрохимии;
• вакуумных электронныхприборах;
• полупроводниковыхэлементах.

Рассмотрим в общих чертах сферы применения анодов и катодов.

В электрохимии

в данной сфере анод и катод являются ключевыми понятиями, в процессе прохождения электрохимических реакций, используемых в основном для восстановления металлов. такие реакции называют электролизом. использование процессов электролиза позволяет получать чистые металлы, так как на катоде образуются атомы  только того металла,  положительные ионы которого содержатся в растворе электролита.

методом электролиза наносят очень тонкое цинковое покрытие стальных листов и деталей любой конфигурации. гальваническое покрытие эффективно защищает металл от коррозии.

в вакуумных электронных приборах

примером вакуумных приборов служат радиоэлектронные лампы, электронно-лучевые трубки, кинескопы телевизоров. они работают по одному и тому же принципу: разогретый катод испускает электроны, которые устремляются к аноду с высоким положительным электрическим потенциалом.

образование электронов на раскаленном электроде называется термоэмиссией, а электрический ток, возникающий между катодом и анодом, называется термоэмиссионным. ценность таких приборов в том, что они проводят ток только в одном направлении – от катода к аноду.

добавление сетки между электродами позволяет регулировать параметры тока в широких пределах, путем изменения напряжения на сетке. такие вакуумные лампы используются в качестве усилителей сигналов. в данное время вакуумные приборы используются довольно редко, так как их с успехом заменяют миниатюрные полупроводниковые диоды и транзисторы, часто выполненные на монокристалле в виде микросхемы.

в полупроводниковых приборах

электронные детали на основе полупроводников ценятся малым потреблением тока и небольшими размерами. они почти вытеснили вакуумные лампы из употребления. выводы полупроводниковых приборов традиционно называют анодами и катодами.

при всех плюсах полупроводников, у этих приборов есть недостаток – они «шумят». в усилителях большой мощности эти шумы становятся заметными. в качественной усилительной аппаратуре по-прежнему применяются вакуумные лампы.

электронно-лучевые кинескопы в современных телевизорах вытесняются экранами с led подсветкой. они более экономичны, отлично передают цветовую палитру, позволяют сделать приемник почти плоским.

поясняющее видео

Источник: https://www.asutpp.ru/anod-i-katod.html

Катод и анод в теории и практике

> Теория > Катод и анод в теории и практике

Катод – это электрод устройства, который подключен к отрицательному полюсу источнику тока. Анод – противоположность ему. Это электрод прибора, подключенный к положительному полюсу источника тока.

Окислительно-восстановительный процесс на электродах

Обратите внимание! Чтобы легче запомнить разницу между ними, используют шпаргалку. В словах «катод»-«минус», «анод»-«плюс» одинаковое число букв.

Применение в электрохимии

В этом разделе химии катод – это отрицательно заряженный электрический проводник (электрод), притягивающий к себе положительно заряженные ионы (катионы) во время процессов окисления и восстановления.

Электролитическое рафинирование – это электролиз сплавов и водных растворов. Большинство цветных металлов подвергаются такой очистке. При помощи электролитической очистки получается металл с высокой чистотой. Так, степень чистоты меди после рафинирования достигает 99,99%.

На положительном электрическом проводнике во время рафинирования или очистки проходит электролитический процесс. Во время него металл с примесями помещают в электролизер и делают анодом.

Такие процессы проводятся при помощи внешнего источника электрической энергии и называются реакциями электролиза. Осуществляются в электролизерах.

Он выполняет функцию электронасоса, нагнетающего отрицательно заряженные частицы (электроны) в отрицательный проводник и удаляющего его из анода. Откуда исходит ток, неважно.

На катоде очищается металл от посторонних примесей. Простой катод изготавливается из вольфрама, иногда – из тантала. Достоинством вольфрамового отрицательного электрода является стойкость его изготовления. Из недостатков – имеет низкую эффективность и неэкономичность.

Сложные катоды имеют разное устройство. У многих таких типов проводников на чистый металл сверху наносится специальный слой, который активирует получение большей производительности при относительно низких температурах. Они очень экономичны.

Их недостаток состоит в небольшой устойчивости производительности.

Готовый чистый металл тоже называется катодом. Например, цинковый или платиновый катод. На производстве отрицательный проводник отделяют от катодной основы при помощи катодосдирочных машин.

При удалении отрицательно заряженных частиц из электрического проводника на нем создается анод, а при нагнетании отрицательно заряженных частиц на электрический проводник – катод. При электролизе очищаемого металла его положительные ионы притягивают к себе отрицательно заряженные частицы на отрицательном проводнике, и происходит восстановительный процесс. Чаще всего используют такие аноды:

• цинковые;
• кадмиевые;
• медные;
• никелевые;
• оловянные;
• золотые;
• серебряные;
• платиновые.

Чаще всего на производстве используют цинковые аноды. Они бывают:

• катанные;
• литые;
• сферические.

Больше всего применяют катанные цинковые аноды. Еще используют никелевые и медные. А вот кадмиевые почти не используются из-за их токсичности для экологии. Бронзовые и оловянные аноды применяют при изготовлении радиоэлектронных печатных плат.

Гальванизация (гальваностегия) – процесс нанесения тонкого слоя металла на другой предмет с целью предотвращения коррозии изделия, окисления контактов в электронике, износостойкости, декорации. Суть процесса такая же, как при рафинировании.

Цинк и олово используют для повышения стойкости изделия при коррозии. Цинкование бывает холодным, горячим, гальваническим, газотермическим и термодиффузионным. Золото используют в основном в защитно-декоративных целях. Серебро повышает стойкость контактов электроприборов к окислению.

Хром – для увеличения износостойкости и защиты от коррозии. Хромирование придает изделиям красивый и дорогой вид. Используется для нанесения на ручки, краны, колесные диски и т.д. Процесс хромирования токсичен, поэтому строго регламентируется законодательством разных стран.

Ниже на картинке представлен метод гальванизации при помощи никеля.

Никелирование чайника методом гальванизации

Применение в вакуумных электронных приборах

Здесь катод выступает источником свободных электродов. Они образуются в ходе их выбивания из металла при высоких температурах. Положительно заряженный электрод притягивает электроны, выпущенные отрицательным проводником. В разных аппаратах он в разной степени собирает их в себя. В электронных трубках он полностью притягивает отрицательно заряженные частицы, а в электронно-лучевых приборах – частично, формируя в завершении процесса электронный луч.

Маркировка

Стандартно катод маркируют как «-». Знак анода –  «+». А вот в гальванике, из-за того, что отрицательный заряд на проводнике снабжается не источником тока извне, а реакцией окисления металла, катод получит положительный заряд электрического проводника. Поэтому в аккумуляторах, когда ток меняет направление, происходит смена знаков «+» и «-».

Эти свойства катодов и анодов нашли широкое применение в промышленности при очистке металла и в гальваностегии.

Диод 1n5819: характеристики

Источник: https://elquanta.ru/teoriya/katod-i-anod.html

Электролиз расплавов и растворов

Электролиз – совокупность окислительно-восстановительных процессов, происходящих на поверхности электродов при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита.
Процессы окисления и восстановления протекают на различных электродах: аноде и катоде.
Катод – это электрод, на котором происходит процесс восстановления.

При электролизе катод заряжен отрицательно. Анод – это электрод, на котором происходит процесс окисления. При электролизе анод заряжен положительно.
Различают электролиз растворов и электролиз расплавов. Отличие этих процессов в наличии или отсутствии растворителя. При электролизе растворов, кроме ионов самого вещества, в процессе могут участвовать частицы растворителя.

При электролизе расплава — только ионы самого вещества — электролита.

Электролиз расплавов

Процесс на катоде: Любой катион металла восстанавливается до металлического состояния: M(n+) + ne(-) = M

Процесс на аноде:
● бескислородный анион окисляется до простого вещества:

Ас(m-) – me(-) = Ac, где (Ас = F, Cl, Br, I, S). Если элемент в форме простого вещества образует многоатомные молекулы, то образуются многоатомные молекулы простого вещества (Hal2, S8). ● при окислении кислородсодержащего аниона с высшей степенью окисления неметалла на аноде образуется кислород и высший устойчивый оксид соответствующего элемента.

Пример: 2Na2SO4 = 4Na + 2SO3 + O2

При этом могут протекать побочные реакции, например:

H2SO4 + SO3 = H2S2O7 (олеум)

Но сюда следует внести некоторые уточнения. Важно учитывать свойства конкретных солей! Некоторые соли разлагаются при нагревании, не начиная плавиться. Для таких солей электролиз расплава невозможен.Например, это некоторые нитраты, карбонаты, оксалаты, формиаты и др.

Электролиз растворов

Сразу следует отметить, что электролизом растворов можно получать металлы только из тех солей, которые растворимы и являются электролитами, т.к. соль должна диссоциировать на ионы.
Рассмотрим процессы, происходящие на катоде при электролизе растворов солей, щелочей и кислот. Так как на катоде идет процесс восстановления, т.

е прием электронов окислителем, то в первую очередь должны реагировать наиболее сильные окислители. То есть прежде всего на катоде будут восстанавливаться ионы, которые имеют наибольший положительный потенциал.

Немного о потенциале: непосредственно измерить потенциал отдельного металла невозможно.

Поэтому электродные потенциалы измеряют относительно стандартного водородного электрода, потенциал которого принимают равным нулю. Металлы, расположенные в порядке возрастания алгебраического значения их стандартного электродного потенциала, составляют ряд стандартных электродных потенциалов, или электрохимический ряд напряжений.

Значение электродного потенциала количественно характеризует восстановительную способность металлов (способность отдавать электроны) в водном растворе в стандартных условиях. Восстановительная способность металлов в ряду напряжений металлов слева направо ослабевает.

Перейдём к самому процессу на катоде при электролизе: ● Если катион электролита в ряду напряжений находится после водорода (Cu, Ag, Hg), то на катоде идёт процесс восстановления ионов металла, на катоде будет выделяться сам металл: M(n+) + ne(-) = M Это можно объяснить тем, что эти металлы имеют большее алгебраическое значение электродного потенциала, чем водород; они более сильные окислители.

● Если катион электролита находится в ряду напряжений до алюминия (включая сам Al), на катоде идёт процесс восстановления воды, выделяется водород: 2H2O + 2e(-) = H2 + 2OH(-) У этих металлов стандартный электродный потенциал много меньше, чем у водорода. Как было уже сказано, на катоде прежде всего будут восстанавливаться наиболее сильные окислители, а это ионы водорода, входящие в состав воды.

Также восстановление металлов в данном случае невозможно из-за взаимодействия этих металлов с водой. ● Если катион электролита находится в электрохимическом ряду напряжений между алюминием и водородом, то на катоде одновременно восстанавливаются и ионы металла, и молекулы воды: выделяется и металл, и водород (два конкурирующих процесса).

Металл преимущественно восстанавливается в концентрированных растворах солей, в которых рост потенциала пары металла и его катиона достигается за счёт увеличения концентрации катиона металла (уравнение Нернста в школьной программе не рассматривается). Также это становится возможным благодаря низкой химической активности металлов и их неспособности реагировать водой.

M(n+) + ne(-) = M и 2H2O + 2e(-) = H2 + 2OH(-)

● при электролизе растворов кислот на катоде восстанавливаются катионы водорода, выделяется водород.

Электрохимический ряд напряжений металлов (ряд активности металлов):

Li/Li(+); Rb/Rb(+); K/K(+); Ba/Ba(2+); Sr/Sr(2+); Ca/Ca(2+); Na/Na(+); Mg/Mg(2+); Al/Al(3+); Mn/Mn(2+); Zn/Zn(2+); Cr/Cr(3+); Fe/Fe(2+); Cd/Cd(2+); Co/Co(2+); Ni/Ni(2+); Sn/Sn(2+); Pb/Pb(2+); H2/H(+); Sb/Sb(3+); Cu/Cu(2+); Hg/Hg(2+); Ag/Ag(+); Pt/Pt(2+); Au/Au(3+)

Стоит отметить, что электрохимический ряд напряжений металлов отражает термодинамическую возможность и преимущественность процессов электролиза. Металлы до алюминия (включая алюминий) нельзя получить электролизом растворов солей, т.к. эти металлы реагируют с водой. Таким образом, термодинамически выгодное состояние — раствор катионов металла, а не металлическое состояние.

При электролизе растворов солей металлов между алюминием и водородом на катоде протекают конкурирующие процессы восстановления металлов и водорода, и преимущественность (какой процесс наиболее термодинамически выгоден) конкретного процесса зависит от концентрации катионов металла и pH раствора (уравнение Нернста не рассматривается в рамках школьной программы).

Восстановление металлов после водорода более термодинамически выгодно, чем восстановление водорода, поэтому на катоде восстанавливается металл.

Электрохимический ряд напряжений рассчитан ТОЛЬКО НА ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ в стандартных условиях! При его помощи НЕВОЗМОЖНО определить возможность протекания той или иной реакции в НЕводной среде!

Также электрохимический ряд напряжений не всегда указывает на то, какой металл более энергично (с более высокой скоростью) взаимодействует с тем или иным веществом-окислителем, например, с водой и кислотами.

Ряд напряжений показывает ТОЛЬКО термодинамические характеристики (стандартный электродный потенциал) пары металла и соответствующего ему катиона! Чтобы оценить скорость взаимодействия металла с водой, нужно учесть не только термодинамический фактор, но и кинетический: в первую очередь, это радиус атома. Например: литий находится в ряду напряжений левее, чем цезий.

Это означает, что взаимодействие лития с водой и цезия с водой термодинамически выгодно, но лития с водой — более выгодно. То есть термодинамика разрешает оба процесса. Проблема заключается в том, что термодинамика изучает только ВОЗМОЖНОСТЬ ПЕРЕХОДА ИЗ НАЧАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ В КОНЕЧНОЕ, то есть говорит нам: «оба перехода возможны»! То есть и литий, и цезий взаимодействуют с водой.

Но термодинамика не изучает промежуточные состояния, то есть то, как происходит этот самый переход. Именно поэтому нужно обязательно учитывать кинетический фактор: у цезия радиус атома выше, чем у лития! Значит внешний электрон цезия слабее связан с ядром (закон Кулона), и ему проще этот электрон отдать. Таким образом, цезий реагирует с водой намного быстрее, чем литий.

В пределах группы в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева радиус атома возрастает сверху вниз.

Иногда в качестве кинетического фактора следует учитывать кристаллическую решётку конкретного металла или образование малорастворимых соединений (например, оксидной или хлоридной плёнки).

Но это (текст после ряда напряжений) было небольшим, но важным отступлением от темы. Вернёмся к электролизу!

Процесс на аноде
Процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аниона.
Если анод неинертный или растворимый (т.е. изготовлен из вещества, потенциал которого ниже, чем потенциал разряда частиц раствора), то идет процесс растворения анода.

При этом, если анод металлический, то образовавшиеся ионы металла переходят в раствор и перемещаются к катоду, на котором восстанавливаются.
Окисление металла анода: M(анод) — ne = M(n+)

Последующее восстановление этого же металла на катоде: M(n+) + ne = M(катод)

Суммарный процесс: M(анод) → M(катод)

Этот процесс используется для очистки металлов или для нанесения защитного слоя металла на изделие.

Рассмотрим анодные процессы при электролизе растворов, если анод инертный (нерастворимый).
Так как на аноде идет реакция окисления, т.е. отдача электронов восстановителем, то в первую очередь должны реагировать наиболее сильные восстановители. На аноде прежде всего протекает реакция с наиболее отрицательным потенциалом анионов.

Ряд активности анионов:

S(2-); I(-); Br(-); Cl(-); OH(-), H2O; SO4(2-); NO3(-); CO3(2-); PO4(3-); F(-)

Можно заметить, что этот ряд коррелирует с рядом электроотрицательности элементов:

F O N Cl Br I S C Se P As H B Cu Pb Si Sn Fe Al Li K

● при электролизе щелочей, кислородсодержащих кислот и их солей с высшей степенью окисления неметалла, а также фтороводорода и фторидов на аноде разряжаются молекулы воды с выделением кислорода: 2H2O — 4e = O2 + 4H(+) Это можно объяснить тем, что потенциал окисления воды ниже, чем кислородсодержащих анионов с высшей с.о. неметалла и фторид-иона.

Также невозможность выделения фтора из водного раствора можно объяснить взаимодействием фтора с молекулами воды. ● при электролизе сульфидов, йодидов, бромидов, хлоридов на аноде будут окисляться сами анионы с выделением простых веществ, т.к.

потенциал окисления этих анионов ниже, чем воды: Ас(m-) – me = Ac, где (Ас = Cl, Br, I, S) (если полученные простые вещества состоят из многоатомный молекул, то получаются многоатомные молекулы: Cl2, Br2 и др.) Электролиз широко применяется в промышленности. С помощью электролиза водного раствора NaCl получают три важнейших химических продукта: хлор, водород и гидроксид натрия (хлоралкалиновое производство).

Катодной процесс: 2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН(-) Анодный процесс: 2Cl(-) — 2e = Cl2 Суммарное уравнение: 2NaCl + 2H2O = H2 + Cl2 + 2NaOH

Но мы можем получить такие продукты, если только катодное и анодное пространства разделены диафрагмой. Если же диафрагмы нет, то полученные продукты взаимодействуют друг с другом с образованием хлората натрия:

NaCl + 3H2O → NaClO3 + 3H2 (электролиз без диафрагмы)

Также важное промышленное значение имеет получение активных металлов электролизом расплавов их солей.

Алюминий же получают электролизом Al2O3 в расплаве криолита Na3[AlF6]:
2Al2O3 = 4Al + 3O2

Обычно для этой реакции используют неинертный графитовый анод:

2Al2O3 + 3C(анод) = 4Al(катод) + 3CO2(анод)

Металлы, находящиеся в ряду активности до алюминия (включая алюминий) можно получить электролизом только из расплавов солей. Металлы после алюминия можно получить электролизом растворов солей. Как уже говорилось раннее, необходимо учитывать свойства конкретных солей: термическую устойчивость (при электролизе расплавов) и растворимость (при электролизе растворов).

В органической химии для получения углеводородов используется реакция Кольбе. Реакция Кольбе — метод получения углеводородов электролизом водных растворов солей карбоновых кислот (электрохимический синтез).
На аноде протекает процесс окисления аниона карбоновой кислоты:

Источник: https://vk.com/@chemistry_100-electrochem1