Электролиз растворов электролитов с инертными электродами
Напомним, что на катоде протекают процессы восстановления, на аноде – процессы окисления.
Процессы, протекающие на катоде:
В растворе имеются несколько видов положительно заряженных частиц, способных восстанавливаться на катоде:
1) Катионы металла восстанавливаются до простого вещества, если металл находится в ряду напряжений правее алюминия (не включая сам Al). Например:
Zn2+ +2e → Zn0.
2) В случае раствора соли или щелочи: катионы водорода восстанавливаются до простого вещества, если металл находится в ряду напряжений металлов до H2:
2H2O + 2e → H20 + 2OH–.
Например, в случае электролиза растворов NaNO3 или KOH.
3) В случае электролиза раствора кислоты: катионы водорода восстанавливаются до простого вещества:
2H+ +2e → H2.
Например, в случае электролиза раствора H2SO4.
Процессы, протекающие на аноде:
На аноде легко окисляются кислотные остатки не содержащие кислород. Например, галогенид-ионы (кроме F–), сульфид-анионы, гидроксид-анионы и молекулы воды:
1) Галогенид-анионы окисляются до простых веществ:
2Cl– – 2e → Cl2.
2) В случае электролиза раствора щелочи в гидроксид-анионах кислород окисляется до простого вещества. Водород уже имеет степень окисления +1 и не может быть окислен дальше. Также будет выделение воды – почему? Потому что больше ничего написать и не получится: 1) H+ написать не можем, так как OH– и H+ не могут стоять по разные стороны одного уравнения; 2) H2 написать также не можем, так как это был бы процесс восстановления водорода (2H+ +2e → H2), а на аноде протекают только процессы окисления.
4OH– – 4e → O2 + 2H2O.
3) Если в растворе есть анионы фтора или любые кислородсодержащие анионы, то окислению будет подвергаться вода с подкислением прианодного пространства согласно следующему уравнению:
2H2O – 4e → O2 + 4H+.
Такая реакция идет в случае электролиза растворов кислородсодержащих солей или кислородсодержащих кислот. В случае электролиза раствора щелочи окисляться будут гидроксид-анионы согласно правилу 2) выше.
4) В случае электролиза раствора соли органической кислоты на аноде всегда происходит выделение CO2 и удвоение остатка углеродной цепи:
2R-COO– – 2e → R-R + 2CO2.
Примеры:
1. Раствор NaCl
Расписываем диссоциацию на ионы:
NaCl → Na+ + Cl–
Металл Na стоит в ряду напряжений до алюминия, следовательно, восстанавливаться на катоде не будет (катионы остаются в растворе). Согласно правилу выше, на катоде восстанавливается водород. Хлорид-анионы будут окисляться на аноде до простого вещества:
К: 2Na+ (в растворе)
2H2O + 2e → H20 + 2OH–
А: 2Cl– – 2e → Cl2
Коэффициент 2 перед Na+ появился из-за наличия аналогичного коэффициента перед хлорид-ионами, так как в соли NaCl их соотношение 1:1.
Проверяем, что количество принимаемых и отдаваемых электронов одинаковое, и суммируем левые и правые части катодных и анодных процессов:
2Na+ + 2Cl– + 2H2O → H20 + 2Na+ + 2OH– + Cl2. Соединяем катионы и анионы:
2NaCl + 2H2O → H20 + 2NaOH + Cl2.
2. Раствор Na2SO4
Расписываем диссоциацию на ионы:
Na2SO4 → 2Na+ + SO42–
Натрий стоит в ряду напряжений до алюминия, следовательно, восстанавливаться на катоде не будет (катионы остаются в растворе). Согласно правилу выше, на катоде восстанавливается только водород. Сульфат-анионы содержат кислород, поэтому окисляться не будут, также оставаясь в растворе. Согласно правилу выше, в этом случае окисляются молекулы воды:
К: 2H2O + 2e → H20 + 2OH–
А: 2H2O – 4e → O20 + 4H+.
Уравниваем число принимаемых и отдаваемых электронов на катоде и аноде. Для этого необходимо умножить все коэффициенты катодного процесса на 2:
К: 4H2O + 4e → 2H20 + 4OH–
А: 2H2O – 4e → O20 + 4H+.
Складываем левые и правые части катодных и анодных процессов:
6H2O → 2H20 + 4OH– + 4H+ + O20.
4OH- и 4H+ соединяем в 4 молекулы H2O:
6H2O → 2H20 + 4H2O + O20.
Сокращаем молекулы воды, находящиеся по обе стороны уравнения, т.е. вычитаем из каждой части уравнения 4H2O и получаем итоговое уравнение гидролиза:
2H2O → 2H20 + O20.
Таким образом, гидролиз растворов кислородсодержащих солей активных металлов (до Al включительно) сводится к гидролизу воды, так как ни катионы металлов, ни анионы кислотных остатков не принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, протекающих на электродах.
3. Раствор CuCl2
Расписываем диссоциацию на ионы:
CuCl2 → Cu2+ + 2Cl–
Медь находится в ряду напряжений металлов после водорода, следовательно, только она будет восстанавливаться на катоде. На аноде будут окисляться только хлорид-анионы.
К: Cu2+ + 2e → Cu0
A: 2Cl– – 2e → Cl2
Записываем суммарное уравнение:
CuCl2 → Cu0 + Cl2.
4. Раствор CuSO4
Расписываем диссоциацию на ионы:
CuSO4 → Cu2+ + SO42–
Медь находится в ряду напряжений металлов после водорода, следовательно, только она будет восстанавливаться на катоде. На аноде будут окисляться молекулы воды, так как кислородсодержащие кислотные остатки в растворах на аноде не окисляются.
К: Cu2+ + 2e → Cu0
A: SO42– (в растворе)
2H2O – 4e → O2 + 4H+.
Уравниваем количество электронов на катоде и аноде. Для это умножим все коэффициенты катодного уравнения на 2. Количество сульфат-ионов также необходимо удвоить, так как в сульфате меди соотношение Cu2+ и SO42– 1:1.
К: 2Cu2+ + 4e → 2Cu0
A: 2SO42– (в растворе)
2H2O – 4e → O2 + 4H+.
Записываем суммарное уравнение:
2Cu2+ + 2SO42– + 2H2O → 2Cu0 + O2 + 4H+ + 2SO42–.
Соединив катионы и анионы, получаем итоговое уравнение электролиза:
2CuSO4 + 2H2O → 2Cu0 + O2 + 2H2SO4.
5. Раствор NiCl2
Расписываем диссоциацию на ионы:
NiCl2 → Ni2+ + 2Cl–
Никель находится в ряду напряжений металлов после алюминия и до водорода, следовательно, на катоде будут восстанавливаться и металл, и водород. На аноде будут окисляться только хлорид-анионы.
К: Ni2+ + 2e → Ni0
2H2O + 2e → H20 + 2OH–
A: 2Cl– – 2e → Cl2
Уравниваем количество электронов, принимаемых и отдаваемых на катоде и аноде. Для этого умножаем все коэффициенты анодного уравнения на 2:
К: Ni2+ + 2e → Ni0
2H2O + 2e → H20 + 2OH–
Ni2+ (в растворе)
A: 4Cl– – 4e → 2Cl2
Замечаем, что согласно формуле NiCl2, соотношение атомов никеля и хлора 1:2, следовательно, в раствор необходимо добавить Ni2+ для получения общего количества 2NiCl2. Также это необходимо сделать, так как в растворе должны присутствовать противоионы для гидроксид-анионов.
Складываем левые и правые части катодных и анодных процессов:
Ni2+ + Ni2+ + 4Cl– + 2H2O → Ni0 + H20 + 2OH– + Ni2+ + 2Cl2.
Соединяем катионы и анионы для получения итогового уравнения электролиза:
2NiCl2 + 2H2O → Ni0 + H20 + Ni(OH)2 + 2Cl2.
6. Раствор NiSO4
Расписываем диссоциацию на ионы:
NiSO4 → Ni2+ + SO42–
Никель находится в ряду напряжений металлов после алюминия и до водорода, следовательно, на катоде будут восстанавливаться и металл, и водород. На аноде будут окисляться молекулы воды, так как кислородсодержащие кислотные остатки в растворах на аноде не окисляются.
К: Ni2+ + 2e → Ni0
2H2O + 2e → H20 + 2OH–
A: SO42– (в растворе)
2H2O – 4e → O2 + 4H+.
Проверяем, что количество принятых и отданных электронов совпадает. Также замечаем, что в растворе есть гидроксид-ионы, но в записи электродных процессов для них нет противоионов. Следовательно, нужно добавить в раствор Ni2+. Так как удвоилось количество ионов никеля, необходимо удвоить и количество сульфат-ионов:
К: Ni2+ + 2e → Ni0
2H2O + 2e → H20 + 2OH–
Ni2+ (в растворе)
A: 2SO42– (в растворе)
2H2O – 4e → O2 + 4H+.
Складываем левые и правые части катодных и анодных процессов:
Ni2+ + Ni2+ + 2SO42– + 2H2O + 2H2O → Ni0 + Ni2+ + 2OH– + H20 + O20 + 2SO42– + 4H+.
Соединяем катионы и анионы и записываем итоговое уравнение электролиза:
2NiSO4 + 4H2O → Ni0 + Ni(OH)2 + H20 + O20 + 2H2SO4.
В других источниках литературы также говорится об альтернативном протекании электролиза кислородсодержащих солей металлов средней активности. Разница состоит в том, что после сложения левых и правых частей процессов электролиза необходимо соединить H+ и OH– с образованием двух молекул воды. Оставшиеся 2H+ расходуются на образование серной кислоты. В этом случае не нужно прибавлять дополнительные ионы никеля и сульфат-ионы:
Ni2+ + SO42– + 2H2O + 2H2O → Ni0 + 2OH– + H20 + O20 + SO42– + 4H+.
Ni2+ + SO42– + 4H2O → Ni0 + H20 + O20 + SO42– + 2H+ + 2H2O.
Итоговое уравнение:
NiSO4 + 2H2O → Ni0 + H20 + O20 + H2SO4.
7. Раствор CH3COONa
Расписываем диссоциацию на ионы:
CH3COONa → CH3COO– + Na+
Натрий стоит в ряду напряжений до алюминия, следовательно, восстанавливаться на катоде не будет (катионы остаются в растворе). Согласно правилу выше, на катоде восстанавливается только водород. На аноде будет происходит окисление ацетат-ионов с образованием углекислого газа и удвоением остатка углеродной цепи:
К: 2Na+ (в растворе)
2H2O + 2e → H20 + 2OH–
А: 2CH3COO– – 2e → CH3-CH3 + CO2
Так как количества электронов в процессах окисления и восстановления совпадают, составляем суммарное уравнение:
2Na+ + 2CH3COO– + 2H2O → 2Na+ + 2OH– + H20 + CH3-CH3 + CO2
Соединяем катионы и анионы:
2CH3COONa + 2H2O → 2NaOH + H20 + CH3-CH3 + CO2.
8. Раствор H2SO4
Расписываем диссоциацию на ионы:
H2SO4 → 2H+ + SO42–
Из катионов в растворе присутствуют только катионы H+, они и будут восстанавливаться до простого вещества. На аноде будет протекать окисление воды, так как кислород содержащие кислотные остатки в растворах на аноде не окисляются.
К: 2H+ +2e → H2
A: 2H2O – 4e → O2 + 4H+
Уравниваем число электронов. Для этого удваиваем каждый коэффициент в уравнении катодного процесса:
К: 4H+ +4e → 2H2
A: 2H2O – 4e → O2 + 4H+
Суммируем левые и правые части уравнений:
4H+ + 2H2O → 2H2 + O2 + 4H+
Катионы H+ находятся в обеих частях реакции, следовательно, их нужно сократить. Получаем, что в случае растворов кислот, электролизу подвергаются только молекулы H2O:
2H2O → 2H2 + O2.
9. Раствор NaOH
Расписываем диссоциацию на ионы:
NaOH → Na+ + OH–
Натрий стоит в ряду напряжений до алюминия, следовательно, восстанавливаться на катоде не будет (катионы остаются в растворе). Согласно правилу, на катоде восстанавливается только водород. На аноде будут окисляться гидроксид-анионы с образованием кислорода и воды:
К: Na+ (в растворе)
2H2O + 2e → H20 + 2OH–
А: 4OH– – 4e → O2 + 2H2O
Уравниваем число электронов, принимаемых и отдаваемых на электродах:
К: Na+ (в растворе)
4H2O + 4e → 2H20 + 4OH–
А: 4OH– – 4e → O2 + 2H2O
Суммируем левые и правые части процессов:
4H2O + 4OH– → 2H20 + 4OH– + O20 + 2H2O
Сокращая 2H2O и ионы OH–, получаем итоговое уравнение электролиза:
2H2O → 2H2 + O2.
Вывод:
При электролизе растворов 1) кислородсодержащих кислот;
2) щелочей;
3) солей активных металлов и кислородсодержащих кислот
на электродах протекает электролиз воды:
2H2O → 2H2 + O2.
1.4.9. Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей, кислот).
Что такое электролиз? Для более простого понимания ответа на этот вопрос давайте представим себе любой источник постоянного тока. У каждого источника постоянного тока всегда можно найти положительный и отрицательный полюс:
Подсоединим к нему две химически стойких электропроводящих пластины, которые назовем электродами. Пластину, присоединенную к положительному полюсу назовем анодом, а к отрицательному катодом:
Далее, представьте, что у вас есть возможность опустить эти два электрода в расплав хлорида натрия:
Хлорид натрия является электролитом, при его расплавлении происходит диссоциация на катионы натрия и хлорид-ионы:
NaCl = Na+ + Cl−
Очевидно, что заряженные отрицательно анионы хлора направятся к положительно заряженному электроду – аноду, а положительно заряженные катионы Na+ направятся к отрицательно заряженному электроду – катоду. В результате этого и катионы Na+ и анионы Cl− разрядятся, то есть станут нейтральными атомами. Разрядка происходит посредством приобретения электронов в случае ионов Na+ и потери электронов в случае ионов Cl−. То есть на катоде протекает процесс:
Na+ + 1e− = Na0,
А на аноде:
Cl− − 1e− = Cl
Поскольку каждый атом хлора имеет по неспаренному электрону, одиночное существование их невыгодно и атомы хлора объединяются в молекулу из двух атомов хлора:
Сl∙ + ∙Cl = Cl2
Таким образом, суммарно, процесс, протекающий на аноде, правильнее записать так:
2Cl− − 2e− = Cl2
То есть мы имеем:
Катод: Na+ + 1e− = Na0
Анод: 2Cl− − 2e− = Cl2
Подведем электронный баланс:
Na+ + 1e− = Na0 |∙2
2Cl− − 2e− = Cl2 |∙1<
Сложим левые и правые части обоих уравнений полуреакций, получим:
2Na+ + 2e− + 2Cl− − 2e−= 2Na0 + Cl2
Сократим два электрона аналогично тому, как это делается в алгебре получим ионное уравнение электролиза:
2Na++ 2Cl− = 2Na0 + Cl2
далее, объединив ионы Na+ и Cl− получим, уравнение электролиза расплава хлорида натрия:
2NaCl(ж.) => 2Na + Cl2
Рассмотренный выше случай является с теоретической точки зрения наиболее простым, поскольку в расплаве хлорида натрия из положительно заряженных ионов были только ионы натрия, а из отрицательных – только анионы хлора.
Другими словами, ни у катионов Na+, ни у анионов Cl− не было «конкурентов» за катод и анод.
А, что будет, например, если вместо расплава хлорида натрия ток пропустить через его водный раствор? Диссоциация хлорида натрия наблюдается и в этом случае, но становится невозможным образование металлического натрия в водном растворе. Ведь мы знаем, что натрий – представитель щелочных металлов – крайне активный металл, реагирующий с водой очень бурно. Если натрий не способен восстановиться в таких условиях, что же тогда будет восстанавливаться на катоде?
Давайте вспомним строение молекулы воды. Она представляет собой диполь, то есть у нее есть отрицательный и положительный полюсы:
Именно благодаря этому свойству, она способна «облеплять» как поверхность катода, так и поверхность анода:
При этом могут происходить процессы:
Катод:
2H2O + 2e− = 2OH− + H2
Анод:
2H2O – 4e− = O2 + 4H+
Таким образом, получается, что если мы рассмотрим раствор любого электролита, то мы увидим, что катионы и анионы, образующиеся при диссоциации электролита, конкурируют с молекулами воды за восстановление на катоде и окисление на аноде.
Так какие же процессы будут происходить на катоде и на аноде? Разрядка ионов, образовавшихся при диссоциации электролита или окисление/восстановление молекул воды? Или, возможно, будут происходить все указанные процессы одновременно?
В зависимости от типа электролита при электролизе его водного раствора возможны самые разные ситуации. Например, катионы щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и магния просто не способны восстановиться в водной среде, так как при их восстановлении должны были бы получаться соответственно щелочные, щелочноземельные металлы, алюминий или магний т.е. металлы, реагирующие с водой.
В таком случае является возможным только восстановление молекул воды на катоде.
Запомнить то, какой процесс будет протекать на катоде при электролизе раствора какого-либо электролита можно, следуя следующим принципам:
1) Если электролит состоит из катиона металла, который в свободном состоянии в обычных условиях реагирует с водой, на катоде идет процесс:
2H2O + 2e− = 2OH− + H2
Это касается металлов, находящихся в начале ряда активности по Al включительно.
2) Если электролит состоит из катиона металла, который в свободном виде не реагирует с водой, но реагирует с кислотами неокислителями, идут сразу два процесса, как восстановления катионов металла, так и молекул воды:
2H2O + 2e− = 2OH− + H2
Men+ + ne = Me0
К таким металлам относятся металлы, находящиеся между Al и Н в ряду активности.
3) Если электролит состоит из катионов водорода (кислота) или катионов металлов, не реагирующих с кислотами неокислителями — восстанавливаются только катионы электролита:
2Н+ + 2е− = Н2 – в случае кислоты
Men+ + ne = Me0 – в случае соли
На аноде тем временем ситуация следующая:
1) Если электролит содержит анионы бескислородных кислотных остатков (кроме F−), то на аноде идет процесс их окисления, молекулы воды не окисляются. Например:
2Сl− − 2e = Cl2
S2- − 2e = So
Фторид-ионы не окисляются на аноде поскольку фтор не способен образоваться в водном растворе (реагирует с водой)
2) Если в состав электролита входят гидроксид-ионы (щелочи) они окисляются вместо молекул воды:
4ОН− − 4е− = 2H2O + O2
3) В случае того, если электролит содержит кислородсодержащий кислотный остаток (кроме остатков органических кислот) или фторид-ион (F−) на аноде идет процесс окисления молекул воды:
2H2O – 4e− = O2 + 4H+
4) В случае кислотного остатка карбоновой кислоты на аноде идет процесс:
2RCOO− − 2e− = R-R + 2CO2
Давайте потренируемся записывать уравнения электролиза для различных ситуаций:
Пример №1
Напишите уравнения процессов протекающих на катоде и аноде при электролизе расплава хлорида цинка, а также общее уравнение электролиза.
Решение
При расплавлении хлорида цинка происходит его диссоциация:
ZnCl2 = Zn2+ + 2Cl−
Далее следует обратить внимание на то, что электролизу подвергается именно расплав хлорида цинка, а не водный раствор. Другими словами, без вариантов, на катоде может происходить только восстановление катионов цинка, а на аноде окисление хлорид-ионов т.к. отсутствуют молекулы воды:
Катод: Zn2+ + 2e− = Zn0 |∙1
Анод: 2Cl− − 2e− = Cl2 |∙1
ZnCl2 = Zn + Cl2
Пример №2
Напишите уравнения процессов протекающих на катоде и аноде при электролизе водного раствора хлорида цинка, а также общее уравнение электролиза.
Так как в данном случае, электролизу подвергается водный раствор, то в электролизе, теоретически, могут принимать участие молекулы воды. Так как цинк расположен в ряду активности между Al и Н то это значит, что на катоде будет происходить как восстановление катионов цинка, так и молекул воды.
Катод:
2H2O + 2e− = 2OH− + H2
Zn2+ + 2e− = Zn0
Хлорид-ион является кислотным остатком бескислородной кислоты HCl, поэтому в конкуренции за окисление на аноде хлорид-ионы «выигрывают» у молекул воды:
Анод:
2Cl− − 2e− = Cl2
В данном конкретном случае нельзя записать суммарное уравнение электролиза, поскольку неизвестно соотношение между выделяющимися на катоде водородом и цинком.
Пример №3
Напишите уравнения процессов протекающих на катоде и аноде при электролизе водного раствора нитрата меди, а также общее уравнение электролиза.
Нитрат меди в растворе находится в продиссоциированном состоянии:
Cu(NO3)2 = Cu2+ + 2NO3−
Медь находится в ряду активности правее водорода, то есть на катоде восстанавливаться будут катионы меди:
Катод:
Cu2+ + 2e− = Cu0
Нитрат-ион NO3− — кислородсодержащий кислотный остаток, это значит, что в окислении на аноде нитрат ионы «проигрывают» в конкуренции молекулам воды:
Анод:
2H2O – 4e− = O2 + 4H+
Таким образом:
Катод: Cu2+ + 2e− = Cu0 |∙2
Анод: 2H2O – 4e− = O2 + 4H+ |∙1
2Cu2+ + 2H2O = 2Cu0 + O2 + 4H+
Полученное в результате сложения уравнение является ионным уравнением электролиза. Чтобы получить полное молекулярное уравнение электролиза нужно добавить по 4 нитрат иона в левую и правую часть полученного ионного уравнения в качестве противоионов. Тогда мы получим:
2Cu(NO3)2 + 2H2O = 2Cu0 + O2 + 4HNO3
Пример №4
Напишите уравнения процессов, протекающих на катоде и аноде при электролизе водного раствора ацетата калия, а также общее уравнение электролиза.
Решение:
Ацетат калия в водном растворе диссоциирует на катионы калия и ацетат-ионы:
СН3СООК = СН3СОО− + К+
Калий является щелочным металлом, т.е. находится в ряду электрохимическом ряду напряжений в самом начале. Это значит, что его катионы не способны разряжаться на катоде. Вместо них восстанавливаться будут молекулы воды:
Катод:
2H2O + 2e− = 2OH− + H2
Как уже было сказано выше, кислотные остатки карбоновых кислот «выигрывают» в конкуренции за окисление у молекул воды на аноде:
Анод:
2СН3СОО− − 2e− = CH3−CH3 + 2CO2
Таким образом, подведя электронный баланс и сложив два уравнения полуреакций на катоде и аноде получаем:
Катод: 2H2O + 2e− = 2OH− + H2 |∙1
Анод: 2СН3СОО− − 2e− = CH3−CH3 + 2CO2 |∙1
2H2O + 2СН3СОО− = 2OH− + Н2+ CH3−CH3 + 2CO2
Мы получили полное уравнение электролиза в ионном виде. Добавив по два иона калия в левую и правую часть уравнения и сложив с противоионами мы получаем полное уравнение электролиза в молекулярном виде:
2H2O + 2СН3СООK = 2KOH + Н2+ CH3−CH3 + 2CO2
Пример №5
Напишите уравнения процессов, протекающих на катоде и аноде при электролизе водного раствора серной кислоты, а также общее уравнение электролиза.
Серная кислота диссоциирует на катионы водорода и сульфат-ионы:
H2SO4 = 2H+ + SO42-
На катоде будет происходить восстановление катионов водорода H+ , а на аноде окисление молекул воды, поскольку сульфат-ионы являются кислородсодержащими кислотными остатками:
Катод: 2Н+ + 2e− = H2 |∙2
Анод: 2H2O – 4e− = O2 + 4H+ |∙1
4Н+ + 2H2O = 2H2 + O2 + 4H+
Сократив ионы водорода в левой и правой и левой части уравнения получим уравнение электролиза водного раствора серной кислоты:
2H2O = 2H2 + O2
Как можно видеть, электролиз водного раствора серной кислоты сводится к электролизу воды.
Пример №6
Напишите уравнения процессов, протекающих на катоде и аноде при электролизе водного раствора гидроксида натрия, а также общее уравнение электролиза.
Диссоциация гидроксида натрия:
NaOH = Na+ + OH−
На катоде будут восстанавливаться только молекулы воды, так как натрий – высокоактивный металл, на аноде только гидроксид-ионы:
Катод: 2H2O + 2e− = 2OH− + H2 |∙2
Анод: 4OH− − 4e− = O2 + 2H2O |∙1
4H2O + 4OH− = 4OH− + 2H2 + O2 + 2H2O
Сократим две молекулы воды слева и справа и 4 гидроксид-иона и приходим к тому, что, как и в случае серной кислоты электролиз водного раствора гидроксида натрия сводится к электролизу воды:
2H2O = 2H2 + O2
Алгоритм
составления уравнений электролиза растворов
1. Записать уравнение электролитической
диссоциации
2. Определить катодный процесс.
Для этого воспользоваться схемой:
3. Определить анодный процесс.
Для этого воспользоваться схемой:
Внимание! Ион F– рассматривать как кислородсодержащий ион!
4. Составить уравнение электролиза:
4.1. В левой части записать формулы
электролита и воды
4.2. В правой части записать формулы веществ,
образовавшихся на катоде и аноде, а также составить молекулярную формулу из
ионов, оставшихся на катоде и аноде.
4.3. Если в правой и левой частях есть
одинаковые формулы, вычеркнуть их.
4.4. Расставить коэффициенты.
Электролиз водных растворов солей
12-Окт-2012 | комментария 63 | Лолита Окольнова
Электролиз водных растворов солей
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
[TESTME 56]
Категории:
|
Обсуждение: “Электролиз водных растворов солей”
(Правила комментирования)
Тренировочные тесты в формате ЕГЭ по теме «Электролиз» (задание 20 ЕГЭ по химии) ( с ответами)
Электролиз
Химические реакции, сопровождающиеся переносом электронов (окислительно-восстановительные реакции) делятся на два типа: реакции, протекающие самопроизвольно и реакции, протекающие при прохождении тока через раствор или расплав электролита.
Раствор или расплав электролита помещают в специальную емкость — электролитическую ванну.
Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц — ионов, электронов и др. под действием внешнего электрического поля. Электрическое поле в растворе или расплаве электролита создают электроды.
Электроды — это, как правило, стержни из материала, проводящего электрический ток. Их помещают в раствор или расплав электролита, и подключают к электрической цепи с источником питания.
При этом отрицательно заряженный электрод катод — притягивает положительно заряженные ионы — катионы. Положительно заряженный электрод (анод) притягивает отрицательно заряженные частицы (анионы). Катод выступает в качестве восстановителя, а анод — в качестве окислителя.
Различают электролиз с активными и инертными электродами. Активные (растворимые) электроды подвергаются химическим превращениям в процессе электролиза. Обычно их изготавливают из меди, никеля и других металлов. Инертные (нерастворимые) электроды химическим превращениям не подвергаются. Их изготавливают из неактивных металлов, например, платины, или графита.
Электролиз растворов
Различают электролиз раствора или расплава химического вещества. В растворе присутствует дополнительное химическое вещество — вода, которая может принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях.
Катодные процессы
В растворе солей катод притягивает катионы металлов. Катионы металлов могут выступать в качестве окислителей. Окислительные способности ионов металлов различаются. Для оценки окислительно-восстановительных способностей металлов применяют электро-химический ряд напряжений:
Каждый металл характеризуется значением электрохимического потен-циала. Чем меньше потенциал, тем больше восстановительные свойства металла и тем меньше окислительные свойства соответствующего иона этого металла. Разным ионам соответствуют разные значения этого потенциала. Электрохимический потенциал — относительная величина. Электрохимический потенциал водорода принят равным нулю.
Также около катода находятся молекулы воды Н2О. В составе воды есть окислитель — ион H+.
При электролизе растворов солей на катоде наблюдаются следующие закономерности:
1. Если металл в соли — активный (до Al3+ включительно в ряду напряжений), то вместо металла на катоде восстанавливается (разряжается) водород, т.к. потенциал водорода намного больше. Протекает процесс восстановления молекулярного водорода из воды, при этом образуются ионы OH—, среда возле катода — щелочная:
2H2O +2ē → H2 + 2OH—
Например, при электролизе раствора хлорида натрия на катоде будет вос-станавливаться только водород из воды.
2. Если металл в соли – средней активности (между Al3+ и Н+), то на катоде восстанавливается (разряжается) и металл, и водород, так как потенциал таких металлов сравним с потенциалом водорода:
Men+ + nē → Me0
2H+2O +2ē → H20 + 2OH—
Например, при электролизе раствора сульфата железа (II) на катоде будет восстанавливаться (разряжаться) и железо, и водород:
Fe2+ + 2ē → Fe0
2H+2O +2ē → H20 + 2OH—
3. Если металл в соли — неактивный (после водорода в ряду стандартных электрохимических металлов), то ион такого металла является более сильным окислителем, чем ион водорода, и на катоде восстанавливается только металл:
Men+ + nē → Me0
Например, при электролизе раствора сульфата меди (II) на катоде будет восстанавливаться медь:
Cu2+ + 2ē → Cu0
4. Если на катод попадают катионы водорода H+, то они и восстанавливаются до молекулярного водорода:
2H+ + 2ē → H20
Анодные процессы
Положительно заряженный анод притягивает анионы и молекулы воды. Анод – окислитель. В качестве восстановителей выступаю либо анионы кислотных остаток, либо молекулы воды (за счет кислорода в степени окисления -2: H2O-2).
При электролизе растворов солей на аноде наблюдаются следующие закономерности:
1. Если на анод попадает бескислородный кислотный остаток, то он окисляется до свободного состояния (до степени окисления 0):
неМеn- – nē = неМе0
Например: при электролизе раствора хлорида натрия на аноде окисляют-ся хлорид-ионы:
2Cl— – 2ē = Cl20
Действительно, если вспомнить Периодический закон: при увеличении электроотрицательности неметалла его восстановительные свойства уменьшаются. А кислород – второй по величине электроотрицательности элемент. Таким образом, проще окислить практически любой неметалл, а не кислород. Правда, есть одно исключение. Наверное, вы уже догадались. Конечно же, это фтор. Ведь электроотрицательность фтора больше, чем у кислорода. Таким образом, при электролизе растворов фторидов окисляться будут именно молекулы воды, а не фторид-ионы:
2H2O-2 – 4ē → O20+ 4H+
2. Если на анод попадает кислородсодержащий кислотный остаток, либо фторид-ион, то окислению подвергается вода с выделением молекулярно-го кислорода:
2H2O-2 – 4ē → O20 + 4H+
3. Если на анод попадает гидроксид-ион, то он окисляется и происходит выделение молекулярного кислорода:
4O-2H– – 4ē → O20 + 2H2O
4. При электролизе растворов солей карбоновых кислот окислению под-вергается атом углерода карбоксильной группы, выделяется углекислый газ и соответствующий алкан.
Например, при электролизе растворов ацетатов выделяется углекислый газ и этан:
2CH3C+3OO– –2ē → 2C+4O2+ CH3-CH3
Суммарные процессы электролиза
Рассмотрим электролиз растворов различных солей.
Например, электролиз раствора сульфата меди. На катоде восстанавливаются ионы меди:
Катод (–): Cu2+ + 2ē → Cu0
На аноде окисляются молекулы воды:
Анод (+): 2H2O-2 – 4ē → O2 + 4H+
Сульфат-ионы в процессе не участвуют. Мы их запишем в итоговом уравнении с ионами водорода в виде серной кислоты:
2Cu2+SO4 + 2H2O-2 → 2Cu0 + 2H2SO4 + O20
Электролиз раствора хлорида натрия выглядит так:
На катоде восстанавливается водород:
Катод (–): 2H+2O +2ē → H20 + 2OH–
На аноде окисляются хлорид-ионы:
Анод (+): 2Cl– – 2ē → Cl20
Ионы натрия в процессе электролиза не участвуют. Мы записываем их с гидроксид-анионами в суммарном уравнении электролиза раствора хлорида натрия:
2H+2O +2NaCl– → H20 + 2NaOH + Cl20
Следующий пример: электролиз водного раствора карбоната калия.
На катоде восстанавливается водород из воды:
Катод (–): 2H+2O +2ē → H20 + 2OH–
На аноде окисляются молекулы воды до молекулярного кислорода:
Анод (+): 2H2O-2 – 4ē → O20 + 4H+
Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия ионы калия и карбонат-ионы в процессе не участвуют. Происходит электролиз воды:
2H2+O-2 → 2H20 + O20
Еще один пример: электролиз водного раствора хлорида меди (II).
На катоде восстанавливается медь:
Катод (–): Cu2+ + 2ē → Cu0
На аноде окисляются хлорид-ионы до молекулярного хлора:
Анод (+): 2Cl– – 2ē → Cl20
Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия происходит электролиз воды:
Cu2+Cl2– → Cu0 + Cl20
Еще несколько примеров: электролиз раствора гидроксида натрия.
На катоде восстанавливается водород из воды:
Катод (–): 2H+2O +2ē → H20 + 2OH–
На аноде окисляются гидроксид-ионы до молекулярного кислорода:
Анод (+): 4O-2H– – 4ē → O20 + 2H2O
Таким образом, при электролизе раствора гидроксида натрия происходит разложение воды, катионы натрия в процессе не участвуют:
2H2+O-2 → 2H20 + O20
Электролиз расплавов
При электролизе расплава на аноде окисляются анионы кислотных остатков, а на катоде восстанавливаются катионы металлов. Молекул воды в системе нет.
Например: электролиз расплава хлорида натрия. На катоде восстанавливаются катионы натрия:
Катод (–): Na+ + ē → Na0
На аноде окисляются анионы хлора:
Анод (+): 2Cl– – 2ē → Cl20
Суммарное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:
2Na+Cl– → 2Na0 + Cl20
Еще один пример: электролиз расплава гидроксида натрия. На катоде восстанавливаются катионы натрия:
Катод (–): Na+ + ē → Na0
На аноде окисляются гидроксид-ионы:
Анод (+): 4OH– – 4ē → O20 + 2H2O
Суммарное уравнение электролиза расплава гидроксида натрия:
4Na+OH– → 4Na0 + O20 + 2H2O
Многие металлы получают в промышленности электролизом расплавов.
Например, алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия в расплаве криолита. Криолит – Na3[AlF6] плавится при более низкой температуре (1100оС), чем оксид алюминия (2050оС). А оксид алюминия отлично растворяется в расплавленном криолите.
В растворе криолите оксид алюминия диссоциирует на ионы:
Al2O3 = Al3+ + AlO33-
На катоде восстанавливаются катионы алюминия:
Катод (–): Al3+ + 3ē → Al0
На аноде окисляются алюминат-ионы:
Анод (+): 4AlO33– – 12ē → 2Al2O3 + 3O20
Общее уравнение электролиза раствора оксида алюминия в расплаве криолита:
2Al2О3 = 4Al0 + 3О20
В промышленности при электролизе оксида алюминия в качестве электродов используют графитовые стержни. При этом электроды частично окисляются (сгорают) в выделяющемся кислороде:
C0 + О20 = C+4O2-2
Электролиз с растворимыми электродами
Если материал электродов выполнен из того же металла, который присутствует в растворе в виде соли, или из более активного металла, то на аноде разряжаются не молекулы воды или анионы, а окисляются частицы самого металла в составе электрода.
Например, рассмотрим электролиз раствора сульфата меди (II) с медными электродами.
На катоде разряжаются ионы меди из раствора:
Катод (–): Cu2+ + 2ē → Cu0
На аноде окисляются частицы меди из электрода:
Анод (+): Cu0 – 2ē → Cu2+
Тренировочные тесты в формате ЕГЭ по теме «Электролиз» (задание 20 ЕГЭ по химии) ( с ответами)
237
Создан на
11 января, 2022 От 
Admin
Электролиз
Тренажер задания 20 ЕГЭ по химии
1 / 10
Установите соответствие между формулой соли и продуктами электролиза водного раствора этой соли, которые выделились на инертных электродах: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ФОРМУЛА СОЛИ | ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА |
|
А) СuSO4 Б) K2SO4 В) AgF Г) CuBr2 |
1) металл и сера 2) металл и кислород 3) металл и галоген 4) водород и сера 5) водород и галоген 6) водород и кислород |
2 / 10
Установите соответствие между формулой вещества и продуктами электролиза водного раствора этого вещества на инертных электродах: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА | ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА |
|
А) K3РО4 Б) Са(NО3)2 В) RbBr Г) CuCl2 |
1) металл и азот 2) металл и кислород 3) металл и галоген 4) водород и сера 5) водород и галоген 6) водород и кислород |
3 / 10
Установите соответствие между веществом и продуктами электролиза водного раствора этого вещества, которые образовались на инертных электродах: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ВЕЩЕСТВО | ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА |
| A) H3PO4
Б) K2SO4 B) K2S |
1) водород, сера
2) металл, кислород 3) водород, кислород 4) металл, сера |
4 / 10
Установите соответствие между формулой соли и продуктами электролиза водного раствора этого вещества, которые образовались на инертных электродах: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ФОРМУЛА СОЛИ | ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА |
| A) K2SО4
Б) CuBr2 B) Fe(NO3)2 Г) CaСl2 |
1) водород, металл и кислород
2) металл и кислород 3) водород и кислород 4) водород и галоген 5) металл и галоген 6) металл, водород и галоген |
5 / 10
Установите соответствие между формулой вещества и продуктами электролиза его водного раствора, которые выделились на инертных электродах.
| ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА | ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА |
|
А) К2SО4 Б) NaOH В) KBr Г) CuSO4 |
1) Сu, О2 2) О2, Nа 3) Н2, Вr2 4) К, O2 5) К, Вr2 6) Н2, O2 |
6 / 10
Установите соответствие между формулой вещества и продуктами электролиза, которые выделяются на инертных электродах: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА | ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА |
|
А) NаCl (р-р) Б) СuCl2 (р-р) В) NaCl (распл.) Г) Na2SO4 (р-р) |
1) Nа, Сl2 2) Cu, Cl2 3) Сu, O2 4) Н2, Сl2 5) Na, O2 6) Н2, O2 |
7 / 10
Установите соответствие между названием вещества и электролитическим способом получения этого вещества: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА | ЭЛЕКТРОЛИЗ |
|
А) кислород Б) хлор В) водород Г) бром |
1) расплава КI 2) водного раствора КСlO3 3) расплава NaF 4) водного раствора СuBr2 5) расплава SiO2 6) водного раствора СuCl2 |
8 / 10
Установите соответствие между названием вещества и возможным электролитическим способом его получения: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА | ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ |
|
А) фтор Б) этан В) калий Г) стронций |
1) водного раствора КF 2) водного раствора (НСОО)2Sr 3) расплава КF 4) водного раствора (СН3СОО)2Sr 5) расплава SrBr2 |
9 / 10
Установите соответствие между веществом и продуктами электролиза водного раствора этого вещества, которые образовались на инертных электродах: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ВЕЩЕСТВО | ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА |
| A) NaCl
Б) KOH B) CuCl2 |
1) металл и галоген
2) металл и кислород 3) водород и кислород 4) водород и галоген |
10 / 10
Установите соответствие между названием простого вещества и способом его, электролитического получения: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА | ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ |
|
А) натрий Б) алюминий В) фтор Г) кальций |
1) расплава NaCl 2) водного раствора NaF 3) расплава СаF2 4) водного раствора АlCl3 5) раствора Аl2O3 в расплавленном криолите 6) водного раствора СаСl2 |
Ваша оценка
The average score is 45%
