Электролитический способ получения щелочных металлов

Получение щелочных металлов

1. Для получения щелочных металлов используют в основном электролиз расплавов их галогенидов, чаще всего — хлоридов, образующих природные минералы:

катод: Li + + e → Li

анод: 2Cl − — 2e → Cl₂

2. Иногда для получения щелочных металлов проводят э электролиз расплавов их гидроксидов:

катод: Na + + e → Na

3. Щелочной металл может быть восстановлен из соответствующего хлорида или бромида кальцием, магнием, кремнием и др. восстановителями при нагревании под вакуумом до 600-900 °C:

Чтобы реакция пошла в нужную сторону, образующийся свободный щелочной металл (M) должен удаляться путём отгонки. Аналогично возможно восстановление цирконием изхромата. Известен способ получения натрия восстановлением из карбоната углём при 1000 °C в присутствии известняка.

Поскольку щелочные металлы в электрохимическом ряду напряжений находятся левее водорода, то электролитическое получение их из растворов солей невозможно; в этом случае образуются соответствующие щёлочи и водород.

Соединения щелочных металлов

Гидроксиды

Для получения гидроксидов щелочных металлов в основном используют электролитические методы. Наиболее крупнотоннажным является производство гидроксида натрияэлектролизом концентрированного водного раствора поваренной соли:

катод:

анод:

Прежде щёлочь получали реакцией обмена:

Получаемая таким способом щёлочь была сильно загрязнена содой Na₂CO₃.

Гидроксиды щелочных металлов — белые гигроскопичные вещества, водные растворы которых являются сильными основаниями. Они участвуют во всех реакциях, характерных дляоснований — реагируют с кислотами, кислотными и амфотерными оксидами, амфотерными гидроксидами:

Гидроксиды щелочных металлов при нагревании возгоняются без разложения, за исключением гидроксида лития, который так же, как гидроксиды металлов главной подгруппы II группы, при прокаливании разлагается на оксид и воду:

Гидроксид натрия используется для изготовления мыла, синтетических моющих средств, искусственного волокна, органических соединений, например фенола.

Карбонаты

Важным продуктом, содержащим щелочной металл, является сода Na₂CO₃. Основное количество соды во всём мире производят по методу Сольве, предложенному ещё в начале XX века. Суть метода состоит в следующем: водный раствор NaCl, к которому добавлен аммиак, насыщают углекислым газом при температуре 26 — 30 °C. При этом образуется малорастворимый гидрокарбонат натрия, называемый питьевой содой:

Аммиак добавляют для нейтрализации кислотной среды, возникающей при пропускании углекислого газа в раствор, и получения гидрокарбонат-иона HCO₃ − , необходимого для осаждения гидрокарбоната натрия. После отделения питьевой соды раствор, содержащий хлорид аммония, нагревают с известью и выделяют аммиак, который возвращают в реакционную зону:

Таким образом, при аммиачном способе получения соды единственным отходом является хлорид кальция, остающийся в растворе и имеющий ограниченное применение.

При прокаливании гидрокарбоната натрия получается кальцинированная, или стиральная, сода Na₂CO₃ и диоксид углерода, используемый в процессе получения гидрокарбоната натрия:

Основной потребитель соды — стекольная промышленность.

В отличие от малорастворимой кислой соли NaHCO₃, гидрокарбонат калия KHCO₃ хорошо растворим в воде, поэтому карбонат калия, или поташ, K₂CO₃ получают действиемуглекислого газа на раствор гидроксида калия:

Поташ используют в производстве стекла и жидкого мыла.

Щелочные металлы. Ионы Na + и К + распределены по всему организму, причём ионы натрия входят в состав преимущественно межклеточных жидкостей, а ионы калия находятся, в основном, внутри клеток. С ионами натрия связаны осмотическое давление жидкостей, удержание воды тканями, поддержание кислотно-основного равновесия в организме, перенос аминокислот и сахаров через клеточную мембрану.

Хлорид натрия NaCl. В зависимости от концентрации хлорида натрия различают изотонический (физиологический) и гипертонический растворы.

Изотоническим является 0,9%-ный раствор NaCl, т.к. его осмотическое давление соответствует осмотическому давлению плазмы крови (7,7 атм). Изотонический раствор используют в качестве плазмозаменяющего раствора при обезвоживании организма, для растворения лекарственных веществ и т.д. Гипертонические растворы (5%, 10%)применяют наружно в виде компрессов и примочек для лечения гнойных ран.

Гидрокарбонат натрия NaHCO₃ (питьевая сода). Введение гидрокарбоната натрия в желудок приводит к быстрой нейтрализации соляной кислоты желудочного сока:

Глауберова соль Na₂SO₄*10H₂O; назначается внутрь в качестве слабительного средства.

Иодид калия KI применяется как препарат йода при заболеваниях щитовидной железы.

Перманганат калия KMnO₄ используется как антисептическое средство для промывания ран, полоскания рта и горла.

Источник

Готовые домашние задания, готовые задачи по химии и биологии

Получение щелочных металлов и едких щелочей. Задачи 973 — 974

Характеристика электролитических способов получения щелочных металлов и едких щелочей

Задача 973.
Чем отличается электролитический способ получения щелочных металлов от электролитического способа получения едких щелочей? Какие электрохимические процессы происходят в том и другом случае?
Решение:
а) Щелочные металлы получают электролизом расплавов их соединений, например, натрий можно получить электролизом расплава хлорида натрия. При этом на катоде выделяется металлический натрий, а на аноде – газообразный хлор.
Уравнения реакций электродных процессов при электролизе расплава NaCl:

На катоде: Na + + = Na 0 ;
На аноде: Cl¯- = Cl 0 ;
Cl 0 +Cl 0 = Cl₂↑

Побочным продуктом является газообразный хлор, который собирают и используют в промышленности.

б) Едкие щёлочи получают электролизом водных растворов солей щелочных металлов, например, едкое натрий получают электролизом водного раствора хлорида натрия. В ходе электролиза на катоде разряжаются ионы водорода и одновременно вблизи катода (в катодном пространстве) накапливаются ионы натрия и гидрокси-ионы (Na + и ОН ¯ ). На аноде выделяется хлор. Очень важно чтобы продукты электролиза не смешивались, так как NaOH легко взаимодействует с хлором. Для воспрепятствованию смешивания NaOH и Cl₂ применяют диафрагменный метод (устанавливают диафрагму из асбеста или другого пористого материала ). Существуют два метода электролиза соли: Метод стального электрода (катода) и метод ртутного катода, анодом в обеих случаях является угольный стержень.

Уравнения реакций процессов на катоде и аноде при электролизе раствора хлорида натрия:

На катоде: 2Н₂О + 2 = Н₂↑ + 2ОН ¯;
На аноде: 2Сl ¯ — 2 = Cl₂ 0 ↑

2NaCl + 2H₂O H₂↑ + 2NaOH + Cl₂↑

В процессе электролиза в анодное пространство непрерывно поступает раствор NaCl, а из катодного вытекает раствор, содержащий смесь NaCl и NaOH. При выпаривании раствора NaCl выкристаллизовывается, а NaOH остаётся в растворе. NaOH отделяют от NaCl и выпаривают до полного удаления воды. Полученный гидроксид натрия сплавляют и отливают в формы. Побочными продуктами являются водород и хлор.

Если катодом служит ртуть, то у катода разряжаются не ионы водорода, а ионы натрия. Выделяющийся натрий растворяется в ртути, образуя амальгаму натрия. Полученную при электролизе амальгаму разлагают горячей водой, при чём получается гидроксид натрия и выделяется водород и освобождается ртуть. Этим методом можно получить чистый гидроксид натрия, не содержащий в виде примеси хлорид натрия.

Задача 974.
Как путем электролиза раствора хлорида калия получить гидроксид, гипохлорит и хлорат калия? Написать уравнения происходящих реакций.
Решение:
а) Электролиз (Elektrolyse) раствора хлорида калия – соли образованной при взаимодействии активного металла и бескислородной кислоты протекает предсказуемо. В данном случае на электродах выделяется водород (катод) и хлор (анод). А в растворе постепенно накапливается соответственно щелочь (КОН).

Стандартный электродный потенциал системы К + + 1 = К 0 (-2,950 В) значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода:

Катод: 2Н₂О +2 = H₂↑ + 2ОН ¯ ,

а ионы К + , приходящие к катоду будут накапливаться в прилегающей к нему части раствора (катодное пространство). На аноде будет происходить электрохимическое окисление ионов хлора Cl ¯ , приводящее к выделению газообразного хлора:

2Сl ¯ + 2 + 2Cl 0 ;
2Cl 0 = Cl₂ 0 ↑

Поскольку отвечающей этой системе стандартный электродный потенциал (1,359 В), хотя и больше, чем стандартный электродный потенциал системы: 2Н₂О = О₂↑+ 4Н + + 4 (1,228 В), то разряжаться будут ионы Cl ¯ . Эта аномалия связана со значительным перенапряжением электродного процесса 2Сl ¯ + 2 + 2Cl 0 .

По окончании электролиза жидкость у катодного пространства выпаривают. При его выпаривании выкристаллизовываются хлорид калия и остаётся почти чистый гидроксид калия, который выпаривают до полного удаления воды. Затем, гидроксид калия сплавляют в формы. Побочными продуктами электролиза являются газообразные водород и хлор.

б) Получение гипохлорита калия. Для получения гипохлорита калия нужно, выделяющийся при электролизе хлорида калия газообразный хлор, пропустить через раствор гидроксида калия у катодного пространства. При пропускании хлора через исходный раствор едкого калия образуется гипохлорит калия:

в) Для получения хлората калия нужно пропустить хлор в горячий раствор гидроксида калия, получим:

Поскольку хлорат калия малорастворим в холодной воде, то при охлаждении раствора он выпадает в осадок.

Источник

Электролитический способ получения щелочных металлов

Все щелочные металлы встречаются в природе исключительно в виде соединений, являются сильными восстановителями, и их получение требует высоких энергетических затрат.

Литий получают электролизом расплава хлорида лития, который образуется при переработке сподумена. Переработка сподумена – процесс довольно сложный, включает стадии получения алюмината лития, гидроксида лития и хлорида лития:

2LiCl 2Li + Cl₂.

Известен также способ получения лития из его оксида в вакууме при 300°С:

Натрий получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:

2NaCl 2Na + Cl₂.

Натрий можно получить, прокаливая соду с углем в закрытых тиглях, пары металла конденсируются на крышке тигля, выход реакции невысокий:

Калий, рубидий и цезий можно получить электролизом расплава их солей, однако на практике таким способом их не получают из-за их высокой химической активности.

Калий получают, пропуская пары натрия через расплав хлорида калия при 800°С, выделяющие пары калия конденсируют:

KCl + Na = K + NaCl

или при взаимодействии между расплавленным гидроксидом калия и жидким натрием при 440°С:

KOH + Na = K + NaOH.

Рубидий и цезий получают восстановлением их хлоридов кальцием при 700–800 °С:

2RbCl + Ca = 2Rb + CaCl₂,

в качестве восстановителя также используют цирконий, реакция протекает при 650 °С:

Источник

Характеристика электролитических способов получения щелочных металлов и едких щелочей

Задача 973.
Чем отличается электролитический способ получения щелочных металлов от электролитического способа получения едких щелочей? Какие электрохимические процессы происходят в том и другом случае?
Решение:
а) Щелочные металлы получают электролизом расплавов их соединений, например, натрий можно получить электролизом расплава хлорида натрия. При этом на катоде выделяется металлический натрий, а на аноде – газообразный хлор.
Уравнения реакций электродных процессов при электролизе расплава NaCl:

На катоде: Na + + = Na 0 ;
На аноде: Cl¯- = Cl 0 ;
Cl 0 +Cl 0 = Cl₂↑

Побочным продуктом является газообразный хлор, который собирают и используют в промышленности.

б) Едкие щёлочи получают электролизом водных растворов солей щелочных металлов, например, едкое натрий получают электролизом водного раствора хлорида натрия. В ходе электролиза на катоде разряжаются ионы водорода и одновременно вблизи катода (в катодном пространстве) накапливаются ионы натрия и гидрокси-ионы (Na + и ОН ¯ ). На аноде выделяется хлор. Очень важно чтобы продукты электролиза не смешивались, так как NaOH легко взаимодействует с хлором. Для воспрепятствованию смешивания NaOH и Cl₂ применяют диафрагменный метод (устанавливают диафрагму из асбеста или другого пористого материала ). Существуют два метода электролиза соли: Метод стального электрода (катода) и метод ртутного катода, анодом в обеих случаях является угольный стержень.

Уравнения реакций процессов на катоде и аноде при электролизе раствора хлорида натрия:

На катоде: 2Н₂О + 2 = Н₂↑ + 2ОН ¯;
На аноде: 2Сl ¯ — 2 = Cl₂ 0 ↑

2NaCl + 2H₂O H₂↑ + 2NaOH + Cl₂↑

В процессе электролиза в анодное пространство непрерывно поступает раствор NaCl, а из катодного вытекает раствор, содержащий смесь NaCl и NaOH. При выпаривании раствора NaCl выкристаллизовывается, а NaOH остаётся в растворе. NaOH отделяют от NaCl и выпаривают до полного удаления воды. Полученный гидроксид натрия сплавляют и отливают в формы. Побочными продуктами являются водород и хлор.

Если катодом служит ртуть, то у катода разряжаются не ионы водорода, а ионы натрия. Выделяющийся натрий растворяется в ртути, образуя амальгаму натрия. Полученную при электролизе амальгаму разлагают горячей водой, при чём получается гидроксид натрия и выделяется водород и освобождается ртуть. Этим методом можно получить чистый гидроксид натрия, не содержащий в виде примеси хлорид натрия.

Задача 974.
Как путем электролиза раствора хлорида калия получить гидроксид, гипохлорит и хлорат калия? Написать уравнения происходящих реакций.
Решение:
а) Электролиз (Elektrolyse) раствора хлорида калия – соли образованной при взаимодействии активного металла и бескислородной кислоты протекает предсказуемо. В данном случае на электродах выделяется водород (катод) и хлор (анод). А в растворе постепенно накапливается соответственно щелочь (КОН).

Стандартный электродный потенциал системы К + + 1 = К 0 (-2,950 В) значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода:

Катод: 2Н₂О +2 = H₂↑ + 2ОН ¯ ,

а ионы К + , приходящие к катоду будут накапливаться в прилегающей к нему части раствора (катодное пространство). На аноде будет происходить электрохимическое окисление ионов хлора Cl ¯ , приводящее к выделению газообразного хлора:

2Сl ¯ + 2 + 2Cl 0 ;
2Cl 0 = Cl₂ 0 ↑

Поскольку отвечающей этой системе стандартный электродный потенциал (1,359 В), хотя и больше, чем стандартный электродный потенциал системы: 2Н₂О = О₂↑+ 4Н + + 4 (1,228 В), то разряжаться будут ионы Cl ¯ . Эта аномалия связана со значительным перенапряжением электродного процесса 2Сl ¯ + 2 + 2Cl 0 .

По окончании электролиза жидкость у катодного пространства выпаривают. При его выпаривании выкристаллизовываются хлорид калия и остаётся почти чистый гидроксид калия, который выпаривают до полного удаления воды. Затем, гидроксид калия сплавляют в формы. Побочными продуктами электролиза являются газообразные водород и хлор.

б) Получение гипохлорита калия. Для получения гипохлорита калия нужно, выделяющийся при электролизе хлорида калия газообразный хлор, пропустить через раствор гидроксида калия у катодного пространства. При пропускании хлора через исходный раствор едкого калия образуется гипохлорит калия:

в) Для получения хлората калия нужно пропустить хлор в горячий раствор гидроксида калия, получим:

Поскольку хлорат калия малорастворим в холодной воде, то при охлаждении раствора он выпадает в осадок.

Источник