Электролиз водных растворов солей
Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс на электродах под действием постоянного электрического тока. В водном растворе соли одновременно присутствуют ионы соли и молекулы воды, поэтому на катоде и аноде конкурируют частицы раствора и вода.
Сущность электролиза и порядок анализа
В электролизёре катод соединён с отрицательным полюсом источника тока, а анод — с положительным. На катоде всегда происходит восстановление: частицы принимают электроны. На аноде всегда происходит окисление: частицы отдают электроны. Это правило не зависит от того, какой именно электролит находится в растворе.
Электролиз водного раствора соли — направленное протекание окислительно-восстановительных процессов на катоде и аноде при прохождении постоянного электрического тока через раствор.
Катод: восстановление, присоединение электронов. Анод: окисление, отдача электронов. В уравнениях полуреакций электроны записывают справа для анода и слева для катода.
Для решения задачи удобно действовать по алгоритму: записать ионы соли и воду; определить возможный процесс на катоде; определить возможный процесс на аноде; уравнять электроны; сложить полуреакции; установить продукты и изменения состава раствора. Подробнее порядок выбора частиц разобран на странице последовательность разряда ионов, а отдельные процессы воды — на страницах восстановление воды на катоде и окисление воды на аноде.
Катодные процессы в растворах солей
На катоде конкурируют катион металла и молекулы воды. Неактивные металлы, расположенные в ряду напряжений после водорода, обычно восстанавливаются из водного раствора: \(\mathrm{Cu^{2+}}\), \(\mathrm{Ag^+}\), \(\mathrm{Hg^{2+}}\). Для них записывают осаждение металла.
Катионы активных металлов — например, \(\mathrm{K^+}\), \(\mathrm{Na^+}\), \(\mathrm{Ca^{2+}}\), \(\mathrm{Mg^{2+}}\), \(\mathrm{Al^{3+}}\) — в обычных водных растворах не восстанавливаются. Вместо них восстанавливается вода с выделением водорода и образованием гидроксид-ионов.
Для катионов металлов средней активности в школьных задачах выбор зависит от условий, концентрации и материала электродов. Если условия не уточнены, используют школьное правило: активные металлы не выделяются, а медь, серебро и другие малоактивные металлы выделяются на катоде.
Анодные процессы и роль аниона
На инертном аноде конкурируют анион соли и вода. Галогенид-ионы, кроме фторид-ионов, обычно окисляются: образуются галоген и электроны. Для хлорид-иона процесс имеет вид:
Ионы \(\mathrm{F^-}\) в воде обычно не разряжаются: окисляется вода. Сульфат-, нитрат-, карбонат- и фосфат-ионы в школьных задачах также считают неразряжающимися на инертном аноде. В этом случае вода окисляется с образованием кислорода и ионов водорода.
Если анод изготовлен из металла, способного окисляться, сам электрод может переходить в раствор. Например, при электролизе раствора сульфата меди(II) с медными электродами анод растворяется, а медь осаждается на катоде. Поэтому перед решением всегда выясняют, являются ли электроды инертными.
Что образуется на катоде при электролизе водного раствора \(\mathrm{Na_2SO_4}\) с инертными электродами?
Типовые соли и изменение раствора
| Раствор соли | Катод | Анод при инертном электроде | Қорытынды |
|---|---|---|---|
| \(\mathrm{CuCl_2}\) | \(\mathrm{Cu^{2+}+2e^-\to Cu}\) | \(\mathrm{2Cl^--2e^-\to Cl_2}\) | Выделяются медь и хлор |
| \(\mathrm{NaCl}\) | \(\mathrm{2H_2O+2e^-\to H_2+2OH^-}\) | \(\mathrm{2Cl^--2e^-\to Cl_2}\) | Образуются водород, хлор и \(\mathrm{NaOH}\) |
| \(\mathrm{CuSO_4}\) | \(\mathrm{Cu^{2+}+2e^-\to Cu}\) | \(\mathrm{2H_2O-4e^-\to O_2+4H^+}\) | Медь осаждается, раствор подкисляется |
| \(\mathrm{Na_2SO_4}\) | Восстанавливается вода | Окисляется вода | Выделяются водород и кислород; соль почти не расходуется |
При сложении полуреакций число отданных электронов должно равняться числу принятых. Минимальное соотношение объёмов газов при одинаковых условиях находят из коэффициентов суммарного уравнения.
Количество электричества определяется формулой \(Q=It\), где \(I\) — сила тока, а \(t\) — время. Для расчёта массы выделившегося вещества используют закон Фарадея: чем больше прошедший заряд и чем меньше число электронов в электродном процессе, тем больше масса продукта.
Здесь \(m\) — масса вещества, \(M\) — молярная масса, \(n\) — число электронов на одну частицу вещества, \(F\approx96500\ \mathrm{Кл/моль}\) — постоянная Фарадея.
Разобранный пример: электролиз раствора хлорида меди(II)
Определите продукты электролиза водного раствора \(\mathrm{CuCl_2}\) с инертными электродами и составьте суммарное уравнение процесса.
На катоде выделяется медь, на аноде — хлор. Вода в суммарном процессе не расходуется, поэтому после удаления продуктов раствор соли меди(II) постепенно обедняется.
Частые ошибки и особые случаи
Не путайте знаки электродов: при электролизе катод отрицательный, анод положительный. Не записывайте выделение натрия или калия из водного раствора: сначала восстанавливается вода. Не окисляйте сульфат-ион вместо воды в стандартной школьной задаче. Не забывайте, что у растворимого анода расходуется материал электрода.
- Для раствора \(\mathrm{NaCl}\) продукты на инертных электродах: \(\mathrm{H_2}\) на катоде и \(\mathrm{Cl_2}\) на аноде; в растворе накапливается \(\mathrm{NaOH}\).
- Для раствора \(\mathrm{CuSO_4}\) с инертными электродами на катоде выделяется медь, а на аноде — кислород.
- Для раствора \(\mathrm{CuSO_4}\) с медным анодом медь переносится с анода на катод, поэтому состав раствора может почти не изменяться.
Подробный разбор электролиза растворов хлорида натрия приведён на странице электролиз раствора хлорида натрия, а для сульфата меди(II) — на странице электролиз раствора сульфата меди(II). Если в растворе несколько электролитов, сначала определяют всех конкурирующих участников; такой случай рассматривается в теме электролиз смеси электролитов.
Связь с уравнениями и другими темами
Каждую полуреакцию записывают как уравнение электродного процесса: сохраняют число атомов и заряд, затем расставляют электроны. Электродный потенциал помогает объяснить, почему одни частицы разряжаются легче других; эта тема раскрыта на странице электродный потенциал. Электролиз растворов кислот и щелочей удобно рассматривать по тем же правилам, но с учётом состава среды: электролиз растворов кислот и электролиз растворов щелочей.
Быстрая проверка
Главное
- На катоде всегда восстановление, на аноде всегда окисление.
- Активные катионы металлов в воде обычно не выделяются: восстанавливается вода и образуется водород.
- Галогениды обычно окисляются до галогенов, а сульфат-, нитрат- и другие кислородсодержащие анионы уступают место окислению воды.
- Инертный и растворимый аноды дают разные результаты, поэтому материал электрода нужно учитывать.
- Сначала записывают полуреакции, затем уравнивают электроны и складывают их в суммарное уравнение.