Какой продукт не образуется при электролизе раствора ki
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.
Полный курс химии вы можете найти на моем сайте CHEMEGE.RU. Чтобы получать актуальные материалы и новости ЕГЭ по химии, вступайте в мою группу в ВКонтакте или на Facebook. Если вы хотите подготовиться к ЕГЭ по химии на высокие баллы, приглашаю на онлайн-курс «40 шагов к 100 баллам на ЕГЭ по химии«.
При электролизе расплавов или водных растворов солей протекают окислительно-восстановительные реакции на электродах (аноде и катоде). В статье рассмотрены расчетные задачи, в которых основной химической реакцией является электролиз — основные приемы и типы решения таких задач.
Какие именно процессы протекают при электролизе и как составлять уравнения химических реакций, протекающих при электролизе, вы можете узнать из статьи.
При решении задач на электролиз необходимо учитывать, что растворенное вещество может подвергнуться электролизу не полностью. Если вещество полностью разложилось под действием тока, далее может протекать электролиз воды по уравнению:
2H₂O → O₂ + 2H₂
При действии тока на растворы некоторых веществ (например, соли активных металлов и кислородсодержащих кислот, щелочи, кислородсодержащие кислоты) количество этих веществ фактически не меняется, т.к. протекающие на катоде и аноде процессы приводят к электролизу воды.
Электролиза с растворимыми электродами или электролиза растворов, в которых содержится несколько растворенных веществ, в ЕГЭ по химии пока нет.
Давайте рассмотрим несколько простых задач на электролиз, а затем перейдем к более сложным.
1. Провели электролиз водного раствора нитрата серебра с инертным анодом. Масса восстановленного на катоде серебра оказалась равной 2,16 г. Какой объём газа (н.у.) выделился на аноде? Вычислите массовую долю кислоты в полученном растворе, если масса раствора 250 г.
Решение и ответ:
Запишем уравнение электролиза раствора нитрата серебра:
4AgNO₃ + 2H₂O → 4Ag + 4HNO₃ + O₂
Количество вещества серебра, образовавшегося на катоде:
n(Ag) = m/M = 2,16 г/107 г/моль = 0,02 моль
На аноде выделился кислород. Количество кислорода можем определить из количества серебра по уравнению реакции:
n(O₂) = 1/4·n(Ag) = 1/4 · 0,02 = 0,005 моль
Объем кислорода:
V(O₂) = n·Vm = 0,005·22,4 = 0,112 л
Количество вещества азотной кислоты:
n(HNO₃) = n(Ag) = 0,02 моль
m(HNO₃) = n·M = 0,02 моль·63 г/моль = 1,26 г
Массовая доля азотной кислоты в полученном растворе:
ω(HNO₃) = m(HNO₃)/*mр-ра = 1,26/250 = 0,005 = 0,5%
Ответ: V(O₂) = 0,112 л, ω(HNO₃) = 0,5%
2. Провели полный электролиз 200 г раствора хлорида калия с ω(KCl) = 7,45%. К полученному раствору добавили 50 г раствора фосфорной кислоты с ω(H₃PO₄) = 19,6%. Определите формулу образовавшейся при этом соли.
Решение и ответ:
Запишем уравнение электролиза раствора хлорида калия:
2KCl + 2H₂O → 2KOH + Cl₂ + H₂
При полном электролизе вступит в реакцию весь хлорид калия. Определим массу и количество вещества хлорида калия:
m(KCl) = mр-ра(KCl) ·ω(KCl) = 200 г · 0,075 = 14,9 г
n(KCl) = m/M =14,9 г / 74,5 г/моль = 0,2 моль
Определим количество образовавшейся щелочи:
n(KOH) = n(KCl) = 0,2 моль
Определим количество фосфорной кислоты:
m(H₃PO₄) = mр-ра(H₃PO₄) ·ω(H₃PO₄) = 50 г · 0,196 = 9,8 г
n(H₃PO₄) = m/M =9,8 г / 98 г/моль = 0,1 моль
При взаимодействии фосфорной кислоты с щелочью возможно образование трех типов солей:
H₃PO₄ + KOH → KH₂PO₄ + H₂O
H₃PO₄ + 2KOH → K₂HPO₄ + 2H₂O
H₃PO₄ + 3KOH → K₃PO₄ + 3H₂O
При соотношении кислоты и щелочи n(H₃PO₄):n(KOH) = 0,1:0,2 или 1:2 протекает вторая реакция и образуется гидрофосфат калия. Количество вещества гидрофосфата калия равно:
n(K₂HPO₄) = n(H₃PO₄) = 0,1 моль
Ответ: K₂HPO₄
3. В процессе электролиза 500 мл раствора гидроксида натрия с ω(NaОН) = 4,6% (ρ = 1,05 г/мл) массовая доля NaОН в растворе увеличилась до 10%. Вычислите объёмы газов (н.у.), выделившихся на электродах.
Решение и ответ:
Уравнение реакции, которая протекает при электролизе раствора гидроксида натрия:
2H₂O → O₂ + 2H₂
Фактически, на катоде восстанавливается водород, на аноде окисляется кислород. Количество щелочи в растворе при этом не изменяется. Определим количество щелочи:
mр-ра(NaOH) = Vр-ра(NaOH) ·ρ(NaOH) = 500 мл · 1,05 г/мл = 525 г
m(NaOH) = mр-ра(NaOH) ·ω(NaOH) = 525 г · 0,046 = 24,15 г
n(NaOH) = m/M =24,15 г / 40 г/моль = 0,604 моль
За счет чего же меняется массовая доля? Все очень просто — за счет электролиза воды. Зная, что масса гидроксида натрия не изменилась, найдем массу конечного раствора:
mр-ра,₂(NaOH) = m(NaOH) / ω(NaOH) = 24,15 г / 0,1 = 241,5 г
Количество воды, которая подверглась электролизу:
m(H₂O) = mр-ра,1(NaOH) – mр-ра,₂ (NaOH) = 525 – 241,5 = 283,5 г
n(H₂O) = m/M =283,15 г / 18 г/моль = 15,75 моль
Из уравнения электролиза определим количество вещества водорода и кислорода и их массу:
n(H₂) = n(H2O) = 15,75 моль
V(H₂) = n·Vm =15,75 моль · 22,4 л/моль = 352,8 л
n(О₂) = 1/2·n(H2O) = 7,875 моль
V(O₂) = n·Vm = 7,875 моль · 22,4 л/моль = 176,4 л
Ответ: V(H₂) = 352,8 л, V(O₂) = 176,4 л
Задачи на электролиз встретились в ЕГЭ по химии в 2018 году. Вот одна из задач реального экзамена по химии:
4. При проведении электролиза 500 г 16% раствора сульфата меди (II) процесс прекратили, когда на аноде выделилось 1,12 л газа. Из полученного раствора отобрали порцию массой 98,4 г. Вычислите массу 20%-ного раствора гидроксида натрия, необходимого для полного осаждения ионов меди из отобранной порции раствора.
Решение.
Во-первых, составляем уравнение реакции электролиза раствора сульфата меди. Как это делать, подробно описано в статье Электролиз.
2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + 2H₂SO₄ + O₂
Находим массу чистого сульфата меди:
m(CuSO₄) = mраствора*ω(CuSO₄) = 500*0,16 = 80 г
Количество вещества сульфата меди:
n(CuSO₄) = m/M = 80/160 = 0,5 моль
Видно, что на аноде должно выделиться 0,25 моль газа, или 5,6 л.
Однако, в условии сказано, что выделилось только 1,12 л газа. Следовательно, сульфат меди прореагировал не полностью, а только частично.
Находим количество и массу кислорода, который выделился на аноде:
n(O₂) = V/Vm = 1,12/22,4 = 0,05 моль,
m(O₂) = n*M = 0,05*32 = 1,6 г.
Следовательно, в электролиз вступило 0,1 моль сульфата меди.
В растворе осталось 0,4 моль сульфата меди. При этом образовалось 0,1 моль серной кислоты массой 9,8 г и 0,1 моль меди выпало в осадок (масса меди 6,4 г).
При этом масса полученного раствора после электролиза mр-ра₂ равна:
mр-ра₂ = 500 – 1,6 – 6,4 = 492 г
Из полученного раствора отобрали порцию массой 98,4 г. При этом количество растворенных веществ поменялось. Зато не поменялась их массовая доля.
Найдем массовую долю сульфата меди ω(CuSO₄)₂ и серной кислоты ω(H₂SO₄) в растворе, который остался после электролиза:
m(CuSO₄)ост = n*M = 0,4*160 = 64 г
ω(CuSO₄)₂ = m(CuSO₄)₂/*mр-ра₂ = 64/492 = 0,13 = 13%
ω(H₂SO₄) = m(H₂SO₄)/*mр-ра₂ = 9,8/492 = 0,02 = 2%
Найдем массу и количество серной кислоты и массу сульфата меди в порции массой mр-ра3 = 98,4 г, которую мы отобрали:
m(CuSO₄)3 = ω(CuSO₄)₂ *mр-ра3 = 0,13*98,4 = 12,79 г
m(H₂SO₄)₂ = ω(H₂SO₄)*mр-ра3 = 0,02*98,4 = 1,97 г
n(CuSO₄) = m/M = 12,79/160 = 0,08 моль
n(H₂SO₄) = m/M = 1,97/98 = 0,02 моль
Чтобы осадить ионы меди, гидроксид натрия должен прореагировать и с серной кислотой в растворе, и с сульфатом меди:
H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O
CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂ + 2H₂O
В первой реакции израсходуется 0,04 моль гидроксида натрия, во второй реакции 0,16 моль гидроксида натрия. Всего потребуется 0,2 моль гидроксида натрия. Или 8 г чистого NaOH, что соответствует 40 г 20%-ного раствора.
Ответ: mр-ра = 40 г.
Задача из досрочного ЕГЭ по химии-2020 на электролиз:
5. Через 640 г 15%-ного раствора сульфата меди(II) пропускали электрический ток до тех пор, пока на аноде не выделилось 11,2 л (н.у.) газа. К образовавшемуся раствору добавили 665,6 г 25%-ного раствора хлорида бария. Определите массовую долю хлорида бария в полученном растворе. В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин).
Решение и ответ:
Уравнения реакций:
2CuSO₄ + 2H2O = 2Cu↓ + 2H2SO₄ + O2↑ (электролиз)
BaCl₂ + H₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2HCl
Количество вещества реагентов и масса продуктов реакций:
m(CuSO₄) = 640 · 0,15 = 96 г
n(CuSO₄) = 96 / 160 = 0,6 моль
n(O₂) = 11,2 / 22,4 = 0,5 моль
n(Cu) = n(CuSO₄) = 0,6 моль
m(Cu) = 0,6 · 64 = 38,4 г
n(H₂SO₄) = n(CuSO₄) = 0,6 моль
При электролизе сульфата меди может выделится максимальное количество кислорода:
n(O₂ [1]) = 0,5n(CuSO₄) = 0,3 моль
Однако, по условию, на аноде всего выделилось 0,5 моль газа. Следовательно, дальше протекает электролиз воды:
2H₂O → O₂ + 2H₂ (электролиз)
Количество кислорода ,который выделится при электролизе воды:
n(O₂ [2]) = 0,5 – 0,3 = 0,2 моль
Отсюда можно найти массу воды, которая разложилась под действием тока:
n(H₂O прореаг.) = 2n(O₂ [2]) = 0,4 моль
m(H₂O прореаг.) = 0,4 · 18 = 7,2 г
m(O₂ [1]) = 32 · 0,3 = 9,6 г
m(BaCl₂) = 665,6 · 0,25 = 166,4 г
n(BaCl₂) = 166,4 / 208 = 0,8 моль
n(BaCl₂ прореаг.) = n(H₂SO₄) = 0,6 моль
n(BaCl₂ осталось) = 0,8 – 0,6 = 0,2 моль
m(BaCl₂ осталось) = 0,2 · 208 = 41,6 г
n(BaSO₄) = n(BaCl₂ прореаг.) = 0,6 моль
m(BaSO₄) = 0,6 · 233 = 139,8 г
Массовая доля хлорида бария в растворе:
m(р-ра) = 640 + 665,6 – 38,4 – 7,2 – 139,8 – 9,6 = 1110,6 г
ω(BaCl₂) = 41,6 / 1110,6 = 0,037, или 3,7 %
Ответ: ω(BaCl₂) = 3,7 %
Еще больше задач на электролиз вы можете найти в моей статье.
ЭЛЕКТРОЛИЗ-это ОВР, протекающая на электродах, при пропускании через раствор или расплав электролита электрического тока.
АНОД — электрод на котором протекает окисление.
КАТОД- электрод на котором протекает восстановление.
В ходе электролиза анод заряжен положительно, катод-отрицательно.
ЭЛЕКТРОЛИЗЕР -прибор, в котором осуществляется электролиз.
- Электролиз расплавов.
Рассмотрим случай электролиза расплава NaOH
Рассмотрим случай электролиза расплава NaBr Рассмотрим случай электролиза расплава Na2SO4
2. Электролиз растворов.
В случае электролиза растворов электролитов, на электродах может также происходить процесс окисления и восстановления воды.
Порядок разрядки катионов и анионов электролитов схематически выражен в таблицах 1 и 2. Однако, чтобы правильно представлять себе совокупность процессов, происходящих в ходе электролиза, прокомментируем эти таблицы.
Таблица 1. Порядок разрядки катионов при электролизе водных растворов солей, кислот, щелочей.
| Ионы | Li+, K+, Na+, Mg2+, Al 3+ | H+ | Zn2+, Fe2+, Ni2+ ,Sn2+, Pb2+, Fe3+, Cu2+, Hg2+, Ag+ |
| Катодный процесс | 2Н2О +2е=Н2 +2ОН- | 2Н++2е=Н2 | Меn+ +nе = Ме0 |
Процессы, протекающие на катоде при электролизе водных растворов электролитов.
- Катионы металлов, имеющих стандартные электродные потенциалы меньше, чем у алюминия ( расположенные в электрохимическом ряду напряжений металлов до Аl ) не разряжаются на катоде. В этом случае происходит только восстановление воды: 2Н2О +2е=Н2 +2ОН-
- Катионы металлов, имеющие стандартные электродные потенциалы меньше, чем у водорода, но больше, чем у алюминия (расположены в ЭХРН металлов от Al до Н2), разряжаются одновременно с молекулами воды. Одновременно происходят процессы: Меn+ +nе = Ме0 и 2Н2О +2е=Н2 +2ОН
- При наличии в растворе катионов металлов, имеющих стандартные электродные потенциалы больше, чем стандартный электродный потенциал водорода, на катоде прежде всего происходит восстановление катионов таких металлов: Меn+ +nе = Ме0
Таблица 2. Порядок разрядки анионов при электролизе водных растворов солей, кислот, щелочей.
| Ионы | S2-, I_, Br-, Cl- | OH- | NO3-, CO32-, SO42-, PO43- |
| Анодный процесс | Эn-+ne=Э0 | 4ОН—4е=2Н2О+О2 | 2Н2О-4е=О2+4Н+ |
Процессы происходящие на аноде при электролизе водных растворов электролитов.
Различают электролиз с инертным и электролиз с активным анодом.
Инертный анод-анод, материал которого не окисляется в ходе электролиза ( например, электрод из платины)
Активный анод — анод, материал которого может окисляться в ходе электролиза.
Рассмотрим закономерности окисления на инертном аноде.
- При электролизе водных растворов щелочей, кислородсодержащих кислот и их солей, а также фтороводорода и фторидов происходит электрохимическое окисление воды с выделением кислорода. В зависимости от среды, этот процесс может протекать по разному: а) в щелочной среде: 4ОН—4е=2Н2О+О2 б) в кислой или нейтральной среде: 2Н2О-4е=О2+4Н+
- При электролизе водных растворов бескислородных кислот и их солей ( кроме НF и фторидов) у анода разряжаются анионы.
- Если анод активен, число конкурирующих окислительных процессов увеличивается до трех: электрохимическое окисление воды с выделением кислорода, окисление аниона и электрохимическое окисление металла анода (анодное растворение металла). Из этих процессов преимущественно протекает энергетически более выгодный процесс. Если стандартный электродный потенциал металла меньше обеих других электрохимических систем, то будет наблюдаться анодное растворение металла.
Рассмотрим два случая электролиза растворов солей с инертным анодом:
1. Электролиз водного раствора KI.
3
2 Cu2+ + 2H2O = 2Cu + O2 +4H+
2CuSO4 + 2H2O = 2Cu + O2 + 2H2SO4
Рассмотрим случай электролиза раствора щелочи с инертным анодом
Тренажеры:
Демонстрации процесса электролиза:
Источник: А.Н.Лёвкин Общая и неорганическая химия. Материалы к экзамену. СПб, «Паритет» 2003 + ресурсы интернета.
Единая коллекция ЦОР
Определение
Электролиз – это физико-химический окислительно-восстановительный процесс, протекающий в растворах или расплавах электролитов под действием электрического тока, заключающийся в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ — продуктов вторичных реакций на электродах.
процесс на катоде K(-): катион принимает электроны и восстанавливается
процесс на аноде A(+): анион отдает электроны и окисляется
Рассмотрим процессы, протекающие при электролизе, на примере хлорида натрия. При сильном нагревании твердый хлорид натрия плавится. Полученный расплав содержит подвижные ионы натрия и хлора, освободившиеся из кристаллической решетки, и поэтому проводит электрический ток. Если в расплав опустить угольные электроды, присоединенные к источнику тока, ионы приобретают направленное движение: катионы $mathrm{Na^+}$ движутся к отрицательно заряженному электроду – катоду, анионы $mathrm{Cl^–}$ – к положительно заряженному электроду – аноду.
На катоде ионы $mathrm{Na^+}$ получают электроны и восстанавливаются до металла:
$ Na^+ + e^- rightarrow Na$ (восстановление),
а на аноде ионы $mathrm{Cl^–}$ отдают электроны и окисляются до свободного хлора:
$2Cl^– – 2e^- rightarrow Cl_2$ (окисление).
Таким образом, в результате процесса электролиза расплав хлорида натрия разлагается на простые вещества:
$K^-: hspace{0.5cm} 2Na^+ + 2e^- rightarrow 2Na$
$A^+: hspace{0.5cm} 2Cl^- — 2e^- rightarrow Cl_2$
Суммарное уравнение электролиза: $2Na^+ + 2Cl^- xrightarrow[]{textrm{эл.ток}} 2Na + Cl_2$
Электролиз отличается от обычных окислительно-восстановительных реакций. При электролизе полуреакции разделены в пространстве: восстановление происходит только на катоде, а окисление – на противоположном электроде — аноде.
Окислительное и восстановительное действие электрического тока намного сильнее действия обычных химических веществ. Только с помощью тока ученым удалось получить наиболее активные простые вещества – натрий, калий и фтор. Пионером в использовании электрического тока в химии был английский ученый Гемфри Дэви. Подвергая электролизу расплавы различных соединений, он открыл восемь неизвестных до него химических элементов.
Электролиз растворов электролитов
В водных растворах процессы электролиза осложняются присутствием воды, которая проявляет двойственную природу: она может проявлять свойства и окислителя, и восстановителя. На катоде вода может принимать электроны, и тогда атомы водорода в ней будут восстанавливаются до газообразного водорода:
$K^-: hspace{0.5cm} 2H_2O + 2e^- rightarrow H_2uparrow + 2OH^–$.
На аноде вода может отдавать электроны, при этом атомы кислорода будут окисляться до газообразного кислорода:
$A^+: hspace{0.5cm} 2H_2O – 4e^- rightarrow O_2 + 4H^+$.
Другими словами, при электролизе растворов электролитов (чаще всего солей) на катоде и аноде протекают конкурирующие процессы: катионы металла $Me^{+n}$ конкурируют с катионами водорода $H^+$, а анионы кислотных остатков $An^{n-}$ конкурируют с анионами гидроксильных групп $(OH)^-$. Рассмотрим подробнее процессы, протекающие на электродах.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ НА КАТОДЕ
На отрицательно заряженном электроде — катоде, происходит восстановление катионов, которое не зависит от материала катода, из которого он сделан, но зависит от активности металла, т.е. от положения металла в электрохимическом ряду напряжения (ЭХР). (Сравниваем окислительную способность, то есть способность принимать электроны, ионов металлов и иона водорода)
| Li K Ca Na Mg Al | Mn Zn Fe Ni Sn Pb | Cu Hg Ag Pt Au |
|---|---|---|
$Me^+n bar{e} ne$ $2H_2O + 2bar{e} =H_2 + 2OH^-$ | $Me^{+n} + n bar{e} = Me^0$ $2 H_2O + 2bar{e} = H_2 + 2OH^-$ | $Me^{+n} + n bar{e} = Me^0$ |
На катоде всегда восстанавливаются молекулы воды | На катоде могут восстанавливаться и ионы металла, и воды в зависимости от плотности тока, Т и концентрации соли | На катоде всегда восстанавливаются ионы металлов |
Если соль образована активным металлом, стоящим в ряду напряжения до марганца, на катоде не восстанавливаются катионы металла, а происходит восстановление воды с выделением газообразного водорода.
Если металл, образующий соль средней активности (после алюминия, но до водорода), то на катоде возможны два конкурирующих процесса: и восстановление воды, и восстановление катионов металла. Преобладание того или иного процесса зависит от плотности тока, температуры и концентрации соли.
Легче всего принимаю электроны неактивные металлы (стоящие в ЭХР после Н), поэтому они легко восстанавливаются на катоде до простого вещества — металла.
Закономерности процессов на аноде
Процесс на положительно заряженном электроде — аноде зависит от материала анода и от природы аниона. При электролизе растворов электролитов на аноде происходит окисление анионов. Образующийся продукт зависит от восстановительной активности аниона кислотного остатка.
Ряд восстановительной активности анионов (уменьшается). По способности окисляться анионы располагаются в следующем порядке:
$J^- hspace{6pt} > hspace{6pt} Br^- hspace{6pt} > hspace{6pt} S^{2-} hspace{6pt} > hspace{6pt} Cl^- hspace{6pt} > hspace{6pt} OH^- hspace{6pt} > hspace{6pt} SO_4^{2-} hspace{6pt} > hspace{6pt} NO_3^- hspace{6pt} > hspace{6pt} F^-$
Анод может быть растворимым и нерастворимым (инертным).
Запомни!
1. Растворимый анод при электролизе, как правило, растворяется с образованием катионов металла анода.
2. На нерастворимом аноде, если кислотный остаток соли бескислородный (кроме фторидов!), происходит окисление аниона до простого вещества — неметалла.
3. Если в состав соли входит остаток кислородсодержащей кислоты, то на аноде происходит окисление воды и выделяется кислород.
| Анод | Кислотный остаток | |||
|---|---|---|---|---|
бескислородный $Cl^-, Br^-, I^-, S^{2-} $ | кислородсодержащий $NO_3^-, SO_4^{2-}, PO_4^{3-}, F^-$ | |||
на аноде окисляются ионы кислотного остатка | на аноде окисляются молекулы воды | |||
| нерастворимый | Окисление аниона (кроме фторидов): $Ac^{ m-} — mbar{e} = Ac^0$ | В щелочной среде: $4OH^- – 4bar{e} rightarrow 2H_2O + O_2$ В кислой, нейтральной среде: $2H_2O – 4bar{e} rightarrow 4H^+ + O_2$ | ||
| растворимый | Окисление металла анода: $Me^0- nbar{e}= Me^{+n}$ анод раствор | |||
Рассмотрим процесс электролиза растворов электролитов на конкретных примерах.
Пример 1
Электролиз раствора соли активного металла и бескислородной кислоты
$NaCl leftrightarrow Na^+ + Cl^−$
Рассмотрим полуреакции окисления и восстановления. Натрий – активный металл, он стоит в ряду напряжений левее водорода, поэтому на катоде восстанавливается вода и выделяется водород. Хлорид-ион не содержит атомов кислорода, поэтому на аноде он окисляется и выделяется хлор:
K»катод»(-): $2H_2O + 2bar{e} = H_2 uparrow+ 2OH^−hspace{0.2cm} | 1$
A»анод»(+): $2Cl^- − 1bar{e} cdot 2 = Cl_2 uparrow hspace{1.1cm} |1$
При сложении уравнений полуреакций получаем сокращенное ионное уравнение электролиза:
$mathrm{2Cl^– + 2H_2O rightarrow H_2 + Cl_2 + 2 OH^–}$.
Если добавить в левую и правую часть по два иона $mathrm{Na^+}$, которые в самом электролизе не участвуют, получим молекулярное уравнение электролиза раствора хлорида натрия:
$Sigma: hspace{0.5cm} 2NaCl (p-p) + 2H_2O xrightarrow[]{textrm{эл.ток}} H_2 uparrow + Cl_2 uparrow+2NaOH$
Мы видим, что при электролизе раствора такого широко доступного и дешевого вещества, как хлорид натрия, получилось сразу три ценных продукта: водород, хлор и щелочь. Именно поэтому электролиз широко используется в разных отраслях промышленности. С его помощью получают химически чистые металлы и удаляют растворимые примеси из воды.
Пример 2
Электролиз раствора соли активного металла и кислородсодержащей кислоты
$Na_2SO_4 (p-p)leftrightarrow 2Na^++SO_4^{2−}$
K(-): $2H_2O + 2bar{e} = H_2 uparrow+ 2OH^−hspace{0.3cm} | 2$
A(+): $2H_2O — 4bar{e} = O_2 uparrow+ 4H^+hspace{0.5cm} | 1$
Если первое уравнение умножить на 2 и сложить со вторым уравнением, получим:
$2cdot2H_2O + 2H_2O= 2H_2 + O_2 + 4H^+ + 2cdot 2OH^–$
$6H_2O= 2H_2 + O_2 + 4H^+ + 4OH^–$.
Ионы водорода и гидроксид-ионы реагируют друг с другом:
$mathrm{4H^+ + 4OH^– = 4H_2O}$
После сокращения молекул воды в левой и правой частях получаем полное уравнение электролиза:
$Sigma: hspace{0.5cm} 2H_2O xrightarrow[]{textrm{эл.ток}} 2H_2 uparrow + O_2 uparrow$
Пример 3
Электролиз раствора гидроксида активного металла
$NaOH (p-p) leftrightarrow Na^+ + OH^−$
K(-): $2H_2O + 2bar{e} = H_2 uparrow + 2OH^−$
A(+): $2H_2O — 4bar{e} = O_2 uparrow + 4H^+$
$Sigma: hspace{0.5cm} 2H_2O xrightarrow[]{textrm{эл.ток}} 2H_2 uparrow + O_2 uparrow$
Пример 4
Электролиз раствора соли среднеактивного металла и бескислородной кислоты
$ZnCl_2 leftrightarrow Zn^{2+} + 2Cl^−$
K»катод»(-): $Zn^{2+} + 2bar{e} = Zn^0$
$2H_2O + 2bar{e} = H_2 uparrow + 2OH^−$
A»анод»(+): $2Cl^- − 1bar{e} cdot 2 = Cl_2 uparrow$
$Sigma: hspace{0.5cm} 2ZnCl_2(p-p) + 2H_2O xrightarrow[]{textrm{эл.ток}} Zn +H_2uparrow + Zn(OH)_2downarrow + 2Cl_2 uparrow$
Обратите внимание, что при электролизе водных растворов солей среднеактивных металлов на катоде одновременно выделяется и металл и водород.
Иногда, в рамках решения ЕГЭ, требуется упрощенная запись этого процесса. В таком случае следует записать только выделение водорода на катоде (основной процесс):
$Sigma: hspace{0.5cm} ZnCl_2(p-p) + 2H_2O xrightarrow[]{textrm{эл.ток}} H_2uparrow + + Zn(OH)_2downarrow + Cl_2 uparrow$
Пример 5
Электролиз раствора соли среднеактивного металла и кислородсодержащей кислоты
$ZnSO_4 (p-p) leftrightarrow Zn^{2+} +SO_4^{2−}$
K(-): $Zn^{2+} + 2bar{e} = Zn^0$
$2H_2O + 2bar{e} = H_2 uparrow + 2OH^−$
A(+): $2H_2O — 4bar{e} = O_2 uparrow + 4H^+$
$Sigma: hspace{0.5cm} 2ZnSO_4 (p-p)+ 4H_2O xrightarrow[]{textrm{эл.ток}} Zn + +H_2uparrow + Zn(OH)_2downarrow + 2H_2SO_4 + O_2 uparrow$
Иногда, в рамках решения ЕГЭ, требуется упрощенная запись этого процесса. В таком случае следует записать только выделение водорода на катоде (основной процесс):
$Sigma: hspace{0.5cm} 2ZnSO_4 (p-p)+ 2H_2O xrightarrow[]{textrm{эл.ток}} 2Zn + 2H_2SO_4 + O_2 uparrow$
Пример 6
Электролиз гидроксида менее активного металла :
$Fe(OH)_3xrightarrow[]{textrm{эл.ток}} ne$
невозможно (нерастворим)