Электролиз цинка и его соединений применяют для получения металлического цинка и в учебных задачах по химии. В промышленности этим способом производят около 80–90% всего цинка — электролизом подкисленного раствора сульфата цинка. В химии электролиз растворов и расплавов солей цинка разбирают, чтобы определить, какие вещества выделяются на катоде и аноде.
Что такое электролиз?
Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, который идёт на электродах при пропускании постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита. Электролитическая ячейка состоит из двух электродов — катода (отрицательного) и анода (положительного) — и электролита между ними.
На катоде идёт восстановление (катод отдаёт электроны частицам раствора), на аноде — окисление (анод принимает электроны от частиц). К катоду движутся катионы, к аноду — анионы. Какие именно вещества разрядятся на электродах, зависит от состава электролита и от того, раствор это или расплав.
Электролиз цинка
Описание процесса электролиза цинка
Электролиз цинка проводят в электролитической ванне, где электроды погружены в раствор соли цинка. На катоде ионы цинка восстанавливаются и осаждаются в виде металла:
Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn
Различают два промышленных подхода. При электроэкстракции (электровыделении) используют нерастворимый анод, цинк осаждается на катоде из раствора, а на аноде выделяется кислород. При электрорафинировании анодом служит сам загрязнённый цинк: он растворяется, а на катоде осаждается чистый металл. В обоих случаях получают цинк высокой чистоты.
Применение электролиза цинка в промышленности
- Получение металлического цинка из руд и отходов (электроэкстракция из сернокислых растворов)
- Извлечение из шламов и отходов попутных ценных металлов — свинца, серебра, меди
- Нанесение цинковых покрытий (гальваническое цинкование) для защиты стали от коррозии
- Получение растворов и соединений цинка для химической и других отраслей
Электролиз соединений цинка
Поведение солей цинка при электролизе подчиняется общим правилам. Цинк — металл средней активности (стоит в ряду напряжений между алюминием и железом, левее водорода), поэтому при электролизе раствора на катоде наряду с осаждением цинка может выделяться водород:
- Катод: Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn (основной процесс) и одновременно 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻
- На практике благодаря высокому перенапряжению водорода на цинке осаждается именно металл — на этом основано промышленное электровыделение цинка
Продукт на аноде зависит от аниона соли:
- бескислородные анионы (Cl⁻, Br⁻, I⁻) окисляются до галогена: 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂↑
- кислородсодержащие анионы (SO₄²⁻, NO₃⁻) и фторид F⁻ не окисляются — вместо них окисляется вода: 2H₂O − 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺
Электролиз раствора цинка
Электролиз раствора цинка (раствора его соли) даёт на катоде металлический цинк, а на аноде — кислород или галоген. Если анод растворимый (из цинка), он сам растворяется, поставляя в раствор новые ион Zn²⁺ — так работает электрорафинирование. С нерастворимым анодом на нём окисляется вода:
Катод: Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn
Анод (нерастворимый, раствор сульфата или нитрата): 2H₂O − 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺
Обратите внимание: на аноде гидроксид-ионы и вода отдают электроны (окисляются), а не принимают.
Электролиз хлорида цинка
Электролиз хлорида цинка различается для расплава и раствора.
В расплаве ZnCl₂: на катоде — цинк, на аноде — хлор:
Катод: Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn; Анод: 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂↑
Суммарно: ZnCl₂ → Zn + Cl₂↑
В растворе ZnCl₂ на катоде восстанавливается цинк (с частичным выделением водорода), на аноде хлорид-ион окисляется до хлора (хлорид разряжается легче воды):
Катод: Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn; Анод: 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂↑
Продукты электролиза хлорида цинка: металлический цинк на катоде и газообразный хлор на аноде.
Электролиз сульфата цинка
Электролиз раствора сульфата цинка — основной промышленный способ получения цинка. Сульфат-ион не окисляется, поэтому на аноде окисляется вода, и в растворе накапливается серная кислота:
Катод: Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn (с частичным выделением H₂)
Анод: 2H₂O − 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺
Продукты электролиза сульфата цинка: цинк на катоде, кислород на аноде, в растворе — серная кислота. В расплавленном виде сульфат цинка не электролизуют: при нагревании он разлагается.
Электролиз нитрата цинка
Электролиз раствора нитрата цинка идёт аналогично сульфату: нитрат-ион не окисляется, на аноде окисляется вода.
Катод: Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn (с частичным выделением H₂)
Анод: 2H₂O − 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺
Продукты электролиза нитрата цинка: цинк на катоде и кислород на аноде; в растворе образуется азотная кислота. Азот (N₂) при этом не выделяется — нитрат-ион на аноде не разряжается.
Электролиз гидроксида цинка
Гидроксид цинка нерастворим в воде, поэтому в чистом виде его раствор не электролизуют. Однако Zn(OH)₂ растворяется в избытке щёлочи с образованием цинката (тетрагидроксоцинката), и уже раствор цинката подвергают электролизу:
Катод: [Zn(OH)₄]²⁻ + 2e⁻ → Zn + 4OH⁻ (с частичным выделением водорода)
Анод: 4OH⁻ − 4e⁻ → O₂↑ + 2H₂O
Продукты — цинк на катоде и кислород на аноде. На щелочном электролизе цинката основан, в частности, один из способов переработки цинксодержащих отходов.
Электролиз бромида цинка
Электролиз бромида цинка проводят и в расплаве, и в растворе. Бромид-ион, как и хлорид, легко окисляется до галогена.
В расплаве ZnBr₂: Катод: Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn; Анод: 2Br⁻ − 2e⁻ → Br₂. Суммарно: ZnBr₂ → Zn + Br₂.
В растворе на катоде осаждается цинк (с частичным выделением водорода), на аноде выделяется бром. Именно обратимое осаждение цинка и выделение брома лежит в основе цинк-бромного аккумулятора.
Электролиз расплавов солей цинка
При электролизе расплава соли цинка на катоде всегда восстанавливается металлический цинк, а на аноде разряжается анион. Для галогенидов это просто и реально:
ZnCl₂ → Zn + Cl₂↑; ZnBr₂ → Zn + Br₂.
А вот расплавы солей кислородсодержащих кислот (сульфат, нитрат) электролизу практически не подвергают: при нагревании такие соли разлагаются раньше, чем плавятся. Нитрат цинка, например, при нагревании распадается на оксид цинка, диоксид азота и кислород (2Zn(NO₃)₂ → 2ZnO + 4NO₂↑ + O₂↑), поэтому «электролиз расплава нитрата цинка» технически не реализуется.
Продукты электролиза соединений цинка
Сводная таблица продуктов электролиза основных солей цинка — на катоде и аноде:
Закономерность простая: на катоде всегда цинк (в растворе — с примесью водорода), а на аноде галоген для хлоридов и бромидов и кислород для сульфата, нитрата и фторида. Нерастворимые соединения — оксид, сульфид, карбонат цинка — в растворе не электролизуют, так как они не образуют раствора электролита.
Применение электролиза цинка в промышленности
Производство цинка
Электролитический способ даёт около 80–90% мирового цинка. Сначала цинковый концентрат обжигают, переводя сульфид цинка в оксид, затем выщелачивают серной кислотой, получая раствор сульфата цинка, который очищают от примесей. Очищенный раствор подвергают электролизу.
Катоды — алюминиевые листы (с них легко снимается осаждённый цинк), аноды — нерастворимые, из свинца с добавкой серебра. На катоде осаждается цинк, на аноде выделяется кислород, а серная кислота регенерируется и возвращается на выщелачивание. Снятый с катодов цинк переплавляют в слитки. Метод даёт металл высокой чистоты при высокой эффективности.
Производство олова и свинца
Электролиз применяют и для рафинирования (очистки) олова и свинца. Черновой металл отливают в аноды и растворяют под током в подходящем электролите, а на катоде осаждается чистый металл; примеси переходят в шлам. Так получают олово и свинец высокой чистоты для припоев, аккумуляторов и сплавов.
Производство лития и меди
Литий — очень активный металл, поэтому его получают только электролизом расплава солей (хлорида лития), а не раствора: из водного раствора литий не осаждается, на катоде выделялся бы водород. Медь, наоборот, рафинируют электролизом раствора сульфата меди с растворимым медным анодом: на катоде осаждается чистая медь, а благородные примеси оседают в шлам. Разное поведение лития и меди наглядно показывает роль активности металла при электролизе.
Другие применения электролиза цинка
- Гальваническое цинкование — нанесение защитного слоя цинка на стальные изделия под действием тока
- Получение чистых соединений и растворов цинка для химической промышленности
- Производство галогенидов цинка (хлорида, бромида, иодида цинка)
- Очистка сточных вод и извлечение цинка из растворов
Примеры электролиза цинка и других металлов
Электролиз цинка и меди
Электрорафинирование цинка и меди устроено схоже: растворимый анод из чернового металла растворяется, а на катоде осаждается чистый металл. Для цинка электролит — раствор сульфата цинка, для меди — раствор сульфата меди с серной кислотой. Разница в активности: медь (после водорода в ряду напряжений) осаждается из раствора легко и без выделения водорода, а цинк (до водорода) осаждается с частичным выделением водорода.
Электролиз цинка и железа
Цинк и железо — оба металлы средней активности, стоящие до водорода, поэтому при электролизе их растворов на катоде наряду с металлом выделяется водород. Цинк осаждают из раствора сульфата цинка, железо — из раствора сульфата железа(II). Оба металла можно получать и рафинировать электролизом с соответствующим электролитом и анодом.
Электролиз никеля, золота, кальция и других металлов
Способ получения металла электролизом зависит от его активности. Малоактивные металлы (золото, медь, никель) хорошо осаждаются из водных растворов их солей. Металлы средней активности (цинк, железо, никель) осаждаются из растворов с частичным выделением водорода. А очень активные металлы (кальций, натрий, литий, алюминий) из водных растворов получить нельзя — их выделяют только электролизом расплавов солей или оксидов.
Электролиз цинка: задачи с решениями
Разберём типовые задания на электролиз солей цинка — определение продуктов и составление уравнений на электродах.
Задача 1. Электролиз раствора хлорида цинка
Условие: какие вещества выделяются на электродах при электролизе раствора хлорида цинка? Запишите уравнения.
Решение: на катоде восстанавливается цинк (с частичным выделением водорода), на аноде хлорид-ион окисляется до хлора.
Катод: Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn; Анод: 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂↑.
Ответ: на катоде цинк, на аноде хлор.
Задача 2. Электролиз раствора сульфата цинка
Условие: что образуется при электролизе раствора сульфата цинка?
Решение: сульфат-ион не окисляется, поэтому на аноде окисляется вода.
Катод: Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn; Анод: 2H₂O − 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺.
Ответ: на катоде цинк, на аноде кислород; в растворе накапливается серная кислота.
Задача 3. Электролиз раствора нитрата цинка
Условие: назовите продукты электролиза раствора нитрата цинка.
Решение: нитрат-ион не разряжается, на аноде окисляется вода.
Катод: Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn; Анод: 2H₂O − 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺.
Ответ: на катоде цинк, на аноде кислород; азот (N₂) не выделяется.
Задача 4. Электролиз расплава хлорида цинка
Условие: чем отличается электролиз расплава хлорида цинка от электролиза его раствора?
Решение: в расплаве воды нет, поэтому на катоде выделяется только цинк, без водорода: Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn; Анод: 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂↑. Суммарно ZnCl₂ → Zn + Cl₂↑.
Ответ: продукты те же (Zn и Cl₂), но на катоде нет выделения водорода.
Задача 5. Масса цинка по току
Условие: сколько граммов цинка осядет на катоде, если через раствор сульфата цинка пропустить 0,4 моль электронов (считая выход по току 100%)?
Решение: на 1 моль цинка расходуется 2 моль электронов (Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn). Значит, n(Zn) = 0,4 / 2 = 0,2 моль.
m(Zn) = 0,2 × 65,4 = 13,08 г.
Ответ: около 13,1 г цинка.
Задача 6. Электролиз раствора фторида цинка
Условие: какие продукты образуются при электролизе раствора фторида цинка?
Решение: фторид-ион не окисляется (как и другие анионы кислородсодержащих кислот), поэтому на аноде окисляется вода.
Катод: Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn; Анод: 2H₂O − 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺.
Ответ: на катоде цинк, на аноде кислород.
Электролиз цинка: вопросы и ответы
Что образуется при электролизе раствора хлорида цинка?
На катоде — цинк (с частичным выделением водорода), на аноде — хлор: Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn, 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂↑.
Что выделяется на аноде при электролизе раствора сульфата или нитрата цинка?
Кислород. Сульфат- и нитрат-ионы не окисляются, поэтому на аноде окисляется вода: 2H₂O − 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺.
Выделяется ли водород при электролизе раствора соли цинка?
Да, частично. Цинк — металл средней активности, поэтому на катоде вместе с осаждением цинка идёт выделение водорода. На практике благодаря высокому перенапряжению водорода на цинке преобладает осаждение металла.
Как получают цинк электролизом в промышленности?
Электролизом подкисленного раствора сульфата цинка: на алюминиевых катодах осаждается цинк, на свинцово-серебряных анодах выделяется кислород. Так производят около 80–90% мирового цинка.
Можно ли электролизом расплава нитрата цинка получить цинк?
Нет. Нитрат цинка при нагревании разлагается (до оксида цинка, диоксида азота и кислорода) раньше, чем плавится, поэтому электролиз его расплава не проводят.
Словарь терминов
- Электролиз — Окислительно-восстановительный процесс на электродах под действием постоянного тока.
- Катод — Отрицательный электрод; на нём идёт восстановление — для солей цинка осаждается цинк.
- Анод — Положительный электрод; на нём идёт окисление — выделяется галоген или кислород.
- Электроэкстракция (электровыделение) — Получение металла осаждением на катоде из раствора с нерастворимым анодом.
- Электрорафинирование — Очистка металла: растворимый анод из чернового металла растворяется, чистый металл осаждается на катоде.
- Перенапряжение водорода — Дополнительное напряжение для выделения водорода; на цинке оно велико, поэтому осаждается металл, а не водород.
- Ряд напряжений — Последовательность металлов по активности; определяет поведение катиона на катоде.
- Цинкат — Растворимый комплекс [Zn(OH)₄]²⁻, образующийся при растворении Zn(OH)₂ в щёлочи.