Электролиз

Теория к заданию 20 из ЕГЭ по химии

Разбор сложных заданий в тг-канале:

Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей)

Если в раствор или расплав электролита опустить электроды и пропустить постоянный электрический ток, то ионы будут двигаться направленно: катионы к катоду (отрицательно заряженному электроду), анионы к аноду (положительно заряженному электроду).

На катоде катионы принимают электроны и восстанавливаются, на аноде анионы отдают электроны и окисляются. Этот процесс называют электролизом.

Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении электрического тока через расплав или раствор электролита.

Электролиз расплавленных солей

Рассмотрим процесс электролиза расплава хлорида натрия. В расплаве идет процесс термической диссоциации:

$NaCl→Na^{+}+Cl^{-}.$

Под действием электрического тока катионы $Na^{+}$ движутся к катоду и принимают от него электроны:

$Na^{+}+ē→{Na}↖{0}$ (восстановление).

Анионы $Cl^{-}$ движутся к аноду и отдают электроны:

$2Cl^{-}-2ē→{Cl_2}↖{0}↑$ (окисление).

Суммарное уравнение процессов:

$Na^{+}+ē→{Na}↖{0}|2$

$2Cl^{-}-2ē→{Cl_2}↖{0}↑|1$

$2Na^{+}+2Cl^{-}=2{Na}↖{0}+{Cl_2}↖{0}↑$

или

$2NaCl{→}↖{\text"электролиз"}2Na+Cl_2↑$

На катоде образуется металлический натрий, на аноде — газообразный хлор.

Главное, что вы должны помнить: в процессе электролиза за счет электрической энергии осуществляется химическая реакция, которая самопроизвольно идти не может.

Электролиз водных растворов электролитов

Более сложный случай — электролиз растворов электролитов.

В растворе соли, кроме ионов металла и кислотного остатка, присутствуют молекулы воды. Поэтому при рассмотрении процессов на электродах необходимо учитывать их участие в электролизе.

Для определения продуктов электролиза водных растворов электролитов существуют следующие правила:

1. Процесс на катоде зависит не от материала, из которого сделан катод, а от положения металла (катиона электролита) в электрохимическом ряду напряжений, при этом если:

1.1. Катион электролита расположен в ряду напряжений в начале ряда по $A l$ включительно, то на катоде идет процесс восстановления воды (выделяется водород $Н_2↑$ ). Катионы металла не восстанавливаются, они остаются в растворе.

1.2. Катион электролита находится в ряду напряжений между алюминием и водородом, то на катоде восстанавливаются одновременно и ионы металла, и молекулы воды.

1.3. Катион электролита находится в ряду напряжений после водорода, то на катоде восстанавливаются катионы металла.

1.4. В растворе содержатся катионы разных металлов, то сначала восстанавливается катион металла, стоящий в ряду напряжений правее.

Катодные процессы

$L i K C a N a M g A l$ $Li^{+} K^{+} Ca^{2+} Na^{+} Mg^{2+} Al^{3+}$	$M n Z n F e N i S n P b$ $Mn^{2+} Zn^{2+} Fe^{2+} Ni^{2+} Sn^{2+} Pb^{2+}$	$H_2$ $2H^{+}$	$C u H g A g P t A u$ $Cu^{2+} Hg_2^{2+} Ag^{+} Pt^{2+} Au^{3+}$
Восстанавливается вода: $2H_2O+2ē=H_2↑+2OH^{−};$ $M^{n+}$ не восстанавливается	Восстанавливаются катионы металла и вода: $M^{n+}+nē=M^0$ $2H_2O+2ē=H_2↑+2OH^{−}$		Восстанавливаются катионы металла: $M^{n+}+nē=M^0$
$n ē \to$ Усиление окислительных свойств катионов (способности принимать электроны)

2. Процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аниона.

Анодные процессы

Кислотный остаток $Ас^{m–}$	Анод
	Растворимый	Нерастворимый
Бескислородный	Окисление металла анода $M^{−}−nē=M^{n+}$ анод раствор	Окисление аниона (кроме $F^{–}$ ) $Ac^{m−}−mē=Ac^0$
Кислородсодержащий		В кислотной и нейтральной средах: $2H_2O−4ē=O_2↑+4H^{+}$ В щелочной среде: $4OH^{−}−4ē=O_2↑+4H^{+}$

2.1. Если анод растворяется (железо, цинк, медь, серебро и все металлы, которые окисляются в процессе электролиза), то окисляется металл анода, несмотря на природу аниона.

2.2. Если анод не растворяется (его называют инертным — графит, золото, платина), то:

а) при электролизе растворов солей бескислородных кислот (кроме фторидов) на аноде идет процесс окисления аниона;

б) при электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот и фторидов на аноде идет процесс окисления воды (выделяется $О_2↑$ ). Анионы не окисляются, они остаются в растворе;

в) анионы по их способности окисляться располагаются в следующем порядке:

Попробуем применить эти правила в конкретных ситуациях.

Рассмотрим электролиз раствора хлорида натрия в случае, если анод нерастворимый и если анод растворимый.

1) Анод нерастворимый (например, графитовый).

В растворе идет процесс электролитической диссоциации:

Суммарное уравнение:

$2H_2O+2Cl^{-}=H_2↑+Cl_2↑+2OH^{-}$ .

Учитывая присутствие ионов $Na^{+}$ в растворе, составляем молекулярное уравнение:

2) Анод растворимый (например, медный):

$NaCl=Na^{+}+Cl^{-}$ .

Если анод растворимый, то металл анода будет окисляться:

$Cu^{0}-2ē=Cu^{2+}$ .

Катионы $Cu^{2+}$ в ряду напряжений стоят после ( $Н^{+}$ ), по этому они и будут восстанавливаться на катоде.

Концентрация $N a C l$ в растворе не меняется.

Рассмотрим электролиз раствора сульфата меди (II) на нерастворимом аноде:

$Cu^{2+}+2ē=Cu^{0}|2$

$2H_2O-4ē=O_2↑+4H^{+}|1$

Суммарное ионное уравнение:

$2Cu^{2+}+2H_2O=2Cu^{0}+O_2↑+4H^{+}$

Суммарное молекулярное уравнение с учетом присутствия анионов $SO_4^{2-}$ в растворе:

Рассмотрим электролиз раствора гидроксида калия на нерастворимом аноде:

$2H_2O+2ē=H_2↑+2OH^{-}|2$

$4OH^{-}-4ē=O_2↑+2H_2O|1$

Суммарное ионное уравнение:

$4H_2O+4OH^{-}=2H_2↑+4OH^{-}+O_2↑+2H_2O$

Суммарное молекулярное уравнение:

$2H_2O{→}↖{\text"электролиз"}2H_2↑+O_2↑$

В данном случае, оказывается, идет только электролиз воды. Аналогичный результат получим и в случае электролиза растворов $H_2SO_4, NaNO_3, K_2SO_4$ и др.

Электролиз расплавов и растворов веществ широко используется в промышленности:

Для получения металлов (алюминий, магний, натрий, кадмий получают только электролизом).
Для получения водорода, галогенов, щелочей.
Для очистки металлов — рафинирования (очистку меди, никеля, свинца проводят электрохимическим методом).
Для защиты металлов от коррозии (хрома, никеля, меди, серебра, золота) — гальваностегия.
Для получения металлических копий, пластинок — гальванопластика.

Практика: решай 20 задание и тренировочные варианты ЕГЭ по химии

<< Гидролиз

Окислительно-восстановительные реакции >>

Составим твой персональный план подготовки к ЕГЭ

Хочу!