Какие продукты выделяются на катоде
Электролиз (греч. elektron — янтарь + lysis — разложение) — химическая реакция, происходящая при прохождении постоянного тока через
электролит. Это разложение веществ на их составные части под действием электрического тока.
Процесс электролиза заключается в перемещении катионов (положительно заряженных ионов) к катоду (заряжен отрицательно), и отрицательно
заряженных ионов (анионов) к аноду (заряжен положительно).
Итак, анионы и катионы устремляются соответственно к аноду и катоду. Здесь и происходит химическая реакция. Чтобы успешно решать задания
по этой теме и писать реакции, необходимо разделять процессы на катоде и аноде. Именно так и будет построена эта статья.
Катод
К катоду притягиваются катионы — положительно заряженные ионы: Na+, K+, Cu2+, Fe3+,
Ag+ и т.д.
Чтобы установить, какая реакция идет на катоде, прежде всего, нужно определиться с активностью металла: его положением в электрохимическом
ряду напряжений металлов.
Если на катоде появился активный металл (Li, Na, K) то вместо него восстанавливаются молекулы воды, из которых выделяется водород. Если металл средней
активности (Cr, Fe, Cd) — на катоде выделяется и водород, и сам металл. Малоактивные металлы выделяются на катоде в чистом виде (Cu, Ag).
Замечу, что границей между металлами активными и средней активности в ряду напряжений считается алюминий. При электролизе на катоде металлы
до алюминия (включительно!) не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды — выделяется водород.
В случае, если на катод поступают ионы водорода — H+ (например при электролизе кислот HCl, H2SO4) восстанавливается
водород из молекул кислоты: 2H+ — 2e = H2
Анод
К аноду притягиваются анионы — отрицательно заряженные ионы: SO42-, PO43-, Cl-, Br-,
I-, F-, S2-, CH3COO-.
При электролизе кислородсодержащих анионов: SO42-, PO43- — на аноде окисляются не анионы, а молекулы
воды, из которых выделяется кислород.
Бескислородные анионы окисляются и выделяют соответствующие галогены. Сульфид-ион при оксилении окислении серу. Исключением является фтор — если он
попадает анод, то разряжается молекула воды и выделяется кислород. Фтор — самый электроотрицательный элемент, поэтому и является исключением.
Анионы органических кислот окисляются особым образом: радикал, примыкающий к карбоксильной группе, удваивается, а сама карбоксильная группа (COO)
превращается в углекислый газ — CO2.
Примеры решения
В процессе тренировки вам могут попадаться металлы, которые пропущены в ряду активности. На этапе обучения вы можете пользоваться расширенным рядом
активности металлов.
Теперь вы точно будете знать, что выделяется на катоде 😉
Итак, потренируемся. Выясним, что образуется на катоде и аноде при электролизе растворов AgCl, Cu(NO3)2, AlBr3,
NaF, FeI2, CH3COOLi.
Иногда в заданиях требуется записать реакцию электролиза. Сообщаю: если вы понимаете, что образуется на катоде, а что на аноде,
то написать реакцию не составляет никакого труда. Возьмем, например, электролиз NaCl и запишем реакцию:
NaCl + H2O → H2 + Cl2 + NaOH
Натрий — активный металл, поэтому на катоде выделяется водород. Анион не содержит кислорода, выделяется галоген — хлор. Мы пишем уравнение, так
что не можем заставить натрий испариться бесследно 🙂 Натрий вступает в реакцию с водой, образуется NaOH.
Запишем реакцию электролиза для CuSO4:
CuSO4 + H2O → Cu + O2 + H2SO4
Медь относится к малоактивным металлам, поэтому сама в чистом виде выделяется на катоде. Анион кислородсодержащий, поэтому в реакции выделяется
кислород. Сульфат-ион никуда не исчезает, он соединяется с водородом воды и превращается в серую кислоту.
Электролиз расплавов
Все, что мы обсуждали до этого момента, касалось электролиза растворов, где растворителем является вода.
Перед промышленной химией стоит важная задача — получить металлы (вещества) в чистом виде. Малоактивные металлы (Ag, Cu) можно легко получать
методом электролиза растворов.
Но как быть с активными металлами: Na, K, Li? Ведь при электролизе их растворов они не выделяются на катоде в чистом виде, вместо них восстанавливаются
молекулы воды и выделяется водород. Тут нам как раз пригодятся расплавы, которые не содержат воды.
В безводных расплавах реакции записываются еще проще: вещества распадаются на составные части:
AlCl3 → Al + Cl2
LiBr → Li + Br2
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
| Дано: а)CuCl2, б) NaОН. Анод инертный | Решение а) CuCl2 = Cu2+ + 2Cl-. Схему электролиза составляем в соответствии с табл. 11.1 и 11.2: K(-) A(+) инертный Cu2+ + 2ē = Cu 2Cl- –2ē = Cl2 H2O H2O |
| 1. Схема электролиза – ? 2. Продукты электролиза – ? |
На катоде выделяется Cu, на аноде – Cl2.
б) NaОН = Na+ + ОН-.
K(-) A(+) инертный
Na+ 4ОН – 4ē = О2 + 2H2О
2H2O + 2ē = H2 + 2OH-
На катоде выделяется Н2, на аноде – О2.
2. Составить схемы электролиза и написать уравнения электродных процессов водного раствора сульфата никеля (II) , если: а) анод инертный; б) анод никелевый. Какие продукты выделяются на катоде и аноде?
| Дано: NiSO4 а) анод инертный б) анод никелевый | Решение а) анод – инертный NiSO4 = Ni2+ + . Схему электролиза составляем в соответствии с табл. 11.1. и 11.2: |
| 1. Схема электролиза – ? 2. Продукты электролиза – ? |
K(-) A(+) инертный
Ni2+ + 2ē = Ni
2H2O + 2ē = H2 + 2OH- 2H2O – 4ē = О2 + 4H+.
На катоде выделяется Ni и H2 , на аноде выделяется О2.
б) анод – никелевый:
NiSO4 = Ni2+ +
K(-) A(+) (Ni)
Ni2+ + 2ē = Ni , Н2О
2H2O + 2ē = H2 + 2OH- Ni – 2ē = Ni2+.
На катоде выделяется Ni и H2, на аноде растворяется Ni.
3. При электролизе растворов а) нитрата кальция, б) нитрата серебра на аноде выделяется 560 мл газа (н.у.). Составить схему электролиза и написать уравнения электродных процессов. Определить, какое вещество и в каком количестве выделилось на катоде. Анод инертный.
В соответствии со схемой электролиза
nэк (О2)(анод) = nэк (Н2)(катод) или ,
откуда
= = = 1120 см3,
= 11200 см3/моль.
= 5600 см3/моль.
На катоде выделилось 1120 см3 водорода.
Ответ: 1120 см3 водорода.
б) AgNO3 = Ag+ + .
Схема электролиза:
K(-) A(+) инертный
Ag+ + ē = Ag
H2O 2H2O – 4ē = О2 + 4H+
На катоде выделяется Ag, на аноде выделяется О2.
По закону эквивалентов: nэк(О2)(анод) = nэк(Ag)(катод) или
,
Откуда = = 10,8 г.
где .
На катоде выделилось 10,8 г серебра.
Ответ: 10,8 г серебра.
УРОВЕНЬ С
Составить схему электролиза и написать уравнения электродных процессов водного раствора сульфата калия (анод инертный). Определить, какие вещества и в каком количестве выделяются на катоде и аноде, если проводить электролиз в течение четырех часов при силе тока 2 А. Температура 298 К, давление 99 кПа.
= = 3,34 л,
где = 11,2 л/моль.
F = 96500 Кл/моль, если τ – c,
F = 26,8 А∙ч/моль, если τ – ч.
= = 1,67 л,
где = 5,6 л/моль, т.е. = 2 .
Объем водорода при заданных условиях
,
откуда
= = 3,73 л.
Объем кислорода при заданных условиях
= 1/2 = 1,87 л.
Ответ: 3,73 л водорода, 1,87 л кислорода.
2. Металлическую деталь, площадь поверхности которой равна 100 см2, необходимо покрыть слоем электролитически осажденной меди из раствора хлорида меди (II). Составить схему электролиза и написать уравнения электродных процессов, если анод медный. Сколько времени должно длиться осаждение при силе тока 8 А и выходе по току 98 %, если толщина покрытия 0,15 мм? Плотность меди 8,9 г/см3.
| Дано: Электролит: CuCl2S = 100 см2h = 0,15 мм I = 8 A BT = 98 % ρCu = 8,9 г/см3 | Решение CuCl2 = Cu2+ + 2Cl- . Схема электролиза: K(-) A(+) (Cu) Cu2+ + 2ē = Cu Cl- H2O H2O Cu – 2ē = Cu2+ На катоде выделяется Cu, на аноде растворяется Cu. |
| Анод медный Схема электролиза – ? Время электролиза τ – ? |
ВТ= .
По закону Фарадея с учетом выхода по току (ВТ) масса меди, фактически выделившейся на катоде:
mCu(факт) = .
Масса меди, необходимая для получения медного покрытия:
mCu(факт) = S ∙ h ∙ ρ, г,
где S – см2, h – см, ρ – г/см3.
S ∙ h ∙ ρCu = ,
откуда
τ = 1,43 часа,
где Mэк(Cu) = = 32 г/моль.
F = 26,8 А∙ч/моль,
10-1 – коэффициент пересчета миллиметров в сантиметры.
Ответ: 1,43 часа.
3. Определить молярную концентрацию эквивалента раствора нитрата серебра, если для выделения всего серебра из 75 см3 этого раствора потребовалось пропустить ток силой 4А в течение
25 минут. Составить схему электролиза и написать уравнения электродных процессов. Анод инертный. Выход по току серебра 100 %.
Молярная концентрация эквивалента раствора AgNO3:
= .
По закону эквивалентов
nэк(AgNO3) = nэк(Ag), nэк(Ag) = ,
где mAg – масса серебра, выделившегося при электролизе с учетом 100 % выхода по току:
mAg = ,
откуда = ,
тогда nэк(AgNO3) = nэк(Ag) = .
Молярная концентрация эквивалента раствора AgNO3
= = 0,83 моль/л,
где τ – c, F = 96500 Кл/моль, Vр-ра – л;
60 – коэффициент пересчета минут в секунды.
10-3 – коэффициент пересчета сантиметров кубических в литры
Ответ: = 0,83 моль/л.
| Дано: а) CuCl2, б) NaОН. Анод инертный | Решение а) CuCl2 = Cu2+ + 2Cl-. Схему электролиза составляем в соответствии с табл. 11.1 и 11.2: K(-) A(+) инертный Cu2+ + 2ē = Cu 2Cl- – 2ē = Cl2 H2O H2O |
| 1. Схема электролиза – ? 2. Продукты электролиза – ? |
На катоде выделяется Cu, на аноде – Cl2.
б) NaОН = Na+ + ОН-.
K(-) A(+) инертный
Na+ 4ОН – 4ē = О2 + 2H2О
2H2O + 2ē = H2 + 2OH-
На катоде выделяется Н2, на аноде – О2.
2. Составить схемы электролиза и написать уравнения электродных процессов водного раствора сульфата никеля (II) , если: а) анод инертный; б) анод никелевый. Какие продукты выделяются на катоде и аноде?
| Дано: NiSO4 а) анод инертный б) анод никелевый | Решение а) анод – инертный NiSO4 = Ni2+ + . Схему электролиза составляем в соответствии с табл. 11.1. и 11.2: |
| 1. Схема электролиза – ? 2. Продукты электролиза – ? |
K(-) A(+) инертный
Ni2+ + 2ē = Ni
2H2O + 2ē = H2 + 2OH- 2H2O – 4ē = О2 + 4H+.
На катоде выделяется Ni и H2 , на аноде выделяется О2.
б) анод – никелевый:
NiSO4 = Ni2+ +
K(-) A(+) (Ni)
Ni2+ + 2ē = Ni , Н2О
2H2O + 2ē = H2 + 2OH- Ni – 2ē = Ni2+.
На катоде выделяется Ni и H2, на аноде растворяется Ni.
3. При электролизе растворов а) нитрата кальция, б) нитрата серебра на аноде выделяется 560 мл газа (н.у.). Составить схему электролиза и написать уравнения электродных процессов. Определить, какое вещество и в каком количестве выделилось на катоде. Анод инертный.
В соответствии со схемой электролиза
nэк (О2)(анод) = nэк (Н2)(катод) или ,
Откуда
= = = 1120 см3,
= 11200 см3/моль.
= 5600 см3/моль.
На катоде выделилось 1120 см3 водорода.
Ответ: 1120 см3 водорода.
б) AgNO3 = Ag+ + .
Схема электролиза:
K(-) A(+) инертный
Ag+ + ē = Ag
H2O 2H2O – 4ē = О2 + 4H+
На катоде выделяется Ag, на аноде выделяется О2.
По закону эквивалентов: nэк(О2)(анод) = nэк(Ag)(катод) или
,
Откуда = = 10,8 г.
где .
На катоде выделилось 10,8 г серебра.
Ответ: 10,8 г серебра.
СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ СОСТАВА РАСТВОРОВ
УРОВЕНЬ А
Записать выражение массовой доли растворенного вещества. Указать единицу измерения.
Ответ:
, %.
Записать выражение молярной доли растворенного вещества.
Ответ:
.
Записать выражение молярной концентрации вещества. Указать единицу измерения.
Ответ:
св = , моль/л.
Записать выражение молярной концентрации эквивалентов вещества. Указать единицу измерения.
Ответ:
сэк(в) = , моль/л.
Записать выражение моляльности вещества в растворе. Указать единицу измерения.
сm(в) = , моль/кг.
Записать выражение титра раствора вещества. Указать единицу измерения.
Ответ:
Tв = , г/см3.
ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
УРОВЕНЬ А
1. Указать, какие из приведенных реакций являются эндотермическими:
а) Mn(к) + 1/2O2(г) = MnO(к);
б) 1/2N2(г) + 3/2H2(г) = NH3(г);
в) 1/2N2(г) + 1/2O2(г) = NO(г).
Решение
Так как данные реакции являются реакциями образования 1 моль сложного вещества из простых веществ, то изменение энтальпии приведенных процессов есть стандартная энтальпия образования этих веществ. Для определения теплового эффекта (изменения энтальпии) реакции из таблицы выписываем значения стандартных энтальпий образования: MnO(к)), NH3(г), NO(г):
ΔfHо (298 К, MnO(к)) = –384,93 кДж/моль;
ΔfHо(298 К, NH3(г)) = –46,2 кДж/моль;
ΔfHо = (298 К, NO(г)) = 90,3 кДж/моль.
Реакции а, б имеют отрицательные значения изменения энтальпии, а реакция в – положительное значение изменения энтальпии. Эндотермическими являются те реакции, изменения энтальпии которых имеют положительные значения.
Ответ: в).
2. Без использования табличных данных определить, для каких из перечисленных реакций изменение энтропии имеет положительное значение:
а) CO(г) + H2(г) = C(к) + H2O(г);
б) 2Cu(NO3)2(к) = 2CuO(к) + 4NO2(г) + O2(г);
в) 2PbS(к) + 3O2(г) = 2PbO(к) + 2SO2(г).
Решение
Так как наибольшее значение стандартной энтропии имеют вещества, находящиеся в газообразном состоянии, то энтропия увеличивается, если в ходе реакции возрастает число газовых моль (реакция б)). При протекании реакций а и в наблюдается уменьшение числа газовых моль системы. Следовательно, изменение энтропии данных реакций имеет отриательное значение.
Ответ: б).
Написать формулу для расчета стандартной энтальпии растворения вещества. Указать единицы измерения.
Ответ:
ΔраствН°(298К) = = , кДж/моль.
СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
И ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
УРОВЕНЬ А
1.Написать формулу связи Кр с термодинамическими функциями.
Ответ: ∆rGº(298 K) = ∆rHº(298 K) – T∆rSº(298 K) = –2,3 RT lg Kp .
2. Написать формулу зависимости скорости реакции от температуры и Еакт.
Ответ: .
12-Окт-2012 | комментариев 59 | Лолита Окольнова
Тема электролиза довольна большая, формул в ней много и, как мне кажется, больше ее изучают на уроках физики… Я хочу рассмотреть ту часть, которая касается химии, и при этом только формат ЕГЭ — электролиз водных растворов солей.
Электролиз водных растворов солей
Для начала давайте представим себе систему, в которой происходит электролиз.
Электролиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, который возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита.
Электроды — это такие пластинки или стержни, опущенные в раствор, они подключены к источнику тока.
- Анод — положительно заряженный электрод
- Катод — отрицательно заряженный электрод
Мы будем рассматривать случай инертных электродов — т.е. они не будут вступать ни в какие химические реакции.
При пропускании электрического тока, вещество раствора будет претерпевать химические изменения, т.е. буду образовываться новые химические вещества. Они будут притягиваться к электродам следующим образом:
- Неметаллы и их производны, анионы — к аноду
- Металлы и их производный, катионы — к катоду
Теперь рассмотрим электролиз водных растворов различных солей
Для этого нам понадобится ряд активности металлов электрохимический ряд напряжений:
Разберем сначала катионы:
- Если металл стоит до Н, то вместо него электролизу подвергается вода:
2H2O + 2е = H2 + 2OH– Образовавшийся водород H2 идет к катоду - Если металл стоит после Н, то он сам восстанавливается:
Cu2+ + 2е = Cu0 Медь осаждается на катоде - Катионы металлов, стоящие в ряду напряжений после алюминия до водорода, могут восстанавливаться вместе с молекулами воды:
2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН—Zn2+ + 2e = Zn0
Теперь анионы-кислотные остатки:
- Кислородсодержащие кислотные остатки — вместо них электролизу подвергается вода:
2H2O — 4e = O2 + 4H+ Образовавшийся O2 выделяется на аноде - Бескислородные кислотные остатки — окисляются до простого вещества:
Cl− — 1e = Cl20 Хлор выделяется на аноде - Исключение: F− — вместо него будет выделяться кислород.
Примеры:
1.1. Катион стоит в ряду до Н, кислотный остаток содержит кислород О:
K2SO4↔2K++SO42−
K(-): 2H2O + 2e = H2 + 2OH−
A(+): 2H2O — 4e = O2 + 4H+
2H2O (электролиз) → 2H2 + O2
1.2. Катион стоит в ряду до Н, кислотный остаток беcкислородный:
LiCl ↔ Li+ + Cl−
катод (-): 2H2O + 2e = H2 + 2OH−
анод (+): Cl− — 1e = Cl0; Cl0+Cl0=Cl2
2LiCl + 2H2O(электролиз) → H2 + Cl2 +2LiOH
2.1. Катион стоит в ряду после Н, кислотный остаток содержит кислород О:
СuSO4 ↔ Cu2++SO42−
K(-): Cu2+ + 2e = Cu0
A(+): 2H2O — 4e = O2 + 4Н+
2CuSO4 + 2H2O(электролиз) → 2Cu + 2H2SO4 + O2
2.2. Катион стоит в ряду после Н, кислотный остаток беcкислородный:
катод (-): Cu2+ + 2e = Cu0
анод (+): 2Cl− — 2e = 2Cl0
CuCl2 (электролиз) →Cu + Cl2
Электролиз водных растворов солей отличается от электролиза расплавов.
Отличие — в наличии растворителя. При электролизе водных растворов солей кроме ионов самого вещества в процессе участвуют ионы растворителя. При электролизе расплавов — только ионы самого вещества.
- ЕГЭ это вопрос Части B № 3
Тест «Электролиз»
1. Щелочь образуется при электролизе водного раствора:
хлорида калия
хлорида меди
хлорида цинка
хлорида алюминия
2. При электролизе водного раствора сульфата натрия на катоде и аноде выделяются, соответственно:
натрий и кислород
водород и кислород
водород и оксид серы
натрий и оксид серы
3. Металл выделяется при электролизе водного раствора:
ацетата калия
хлорида цинка
нитрата серебра
гидроксида магния
4. Лакмус становится красным при электролизе раствора:
нитрата серебра
хлорида серебра
нитрата натрия
сульфата натрия
5. При электролизе раствора KF на катоде и аноде выделятся, соответственно:
калий и фтор
калий и кислород
водород и фтор
водород и кислород
6. На катоде — восстановление воды, на аноде — окисление кислотного остатка при электролизе раствора:
Na2S
Na2SO3
NaF
NaNO3
7. Этан можно получить электролизом:
водного раствора метанола
водного раствора ацетата натрия
водного раствора этилата натрия
водного раствора бутанола
8. При электролизе водного раствора KF на аноде выделяется:
фтор
фтороводород
кислород
калий
9. При электролизе 400 г 20 %-ого раствора NaCl на катоде выделилось 11,2 л (н.у.) газа. Степень разложения NaCl:
25%
73%
24%
50%
10. Уравнение анодного процесса электролиза раствора AgNO3 соответствует реакции:
2NO3(-) -2e → 2NO2 + O2
2H2O + 2e → H2 + 2OH(-)
2H2O – 4e → O2 + 4H(+)
2NO3(-) -2e → 2NO + 2O2
Категории:
|
Обсуждение: «Электролиз водных растворов солей»
(Правила комментирования)