Электролиз водных растворов
Электролиз водного раствора — это окислительно-восстановительный процесс, в котором электрический ток вызывает направленное движение ионов и химические реакции на электродах. Чтобы определить продукты электролиза, нужно установить, какие частицы восстанавливаются на катоде и окисляются на аноде, а затем составить уравнения реакций.
Устройство электролитической системы и главное правило
Электролиз проводят в сосуде с электролитом — расплавом или раствором, содержащим подвижные ионы. Электроды соединены с источником постоянного тока. Катод подключён к отрицательному полюсу, анод — к положительному. Катионы движутся к катоду, анионы — к аноду.
Электролиз — совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих на электродах под действием электрического тока. На катоде всегда идёт восстановление, на аноде всегда идёт окисление.
Катод — восстановление, анод — окисление. Знак электрода зависит от устройства: в электролизёре катод отрицательный, анод положительный. Для сравнения, в гальваническом элементе знаки противоположны, но правило сохраняется: анод и катод гальванического элемента.
В задачах обычно предполагаются инертные электроды: графит или платина. Они проводят ток и не расходуются. Если указан активный металлический анод, например медный, он может сам окисляться и переходить в раствор.
Что выделяется на катоде
На катоде конкурируют катионы металла и молекулы воды. В школьных задачах используют следующие правила.
| Катион в растворе | Продукт на катоде |
|---|---|
| \(\mathrm{K^+}\), \(\mathrm{Ca^{2+}}\), \(\mathrm{Na^+}\), \(\mathrm{Mg^{2+}}\), \(\mathrm{Al^{3+}}\) | Вода восстанавливается, выделяется \(\mathrm{H_2}\) |
| \(\mathrm{Zn^{2+}}\), \(\mathrm{Fe^{2+}}\), \(\mathrm{Ni^{2+}}\), \(\mathrm{Sn^{2+}}\), \(\mathrm{Pb^{2+}}\) | Обычно восстанавливается катион металла; учитывают условие тапсырма |
| \(\mathrm{Cu^{2+}}\), \(\mathrm{Hg^{2+}}\), \(\mathrm{Ag^+}\) | Восстанавливается катион, выделяется металл |
| \(\mathrm{H^+}\) в кислой среде | Выделяется \(\mathrm{H_2}\) |
Для щелочных и щёлочноземельных металлов в воде металл не выделяется: сначала восстанавливаются молекулы воды.
Что выделяется на аноде
На инертном аноде конкурируют анионы и вода. Галогенид-ионы обычно окисляются легче воды: из растворов хлоридов, бромидов и иодидов выделяются соответствующие галогены. Фторид в водном растворе обычно не окисляется; вместо него окисляется вода.
| Анион в растворе | Продукт на инертном аноде |
|---|---|
| \(\mathrm{Cl^-}\), \(\mathrm{Br^-}\), \(\mathrm{I^-}\) | Соответствующий галоген |
| \(\mathrm{SO_4^{2-}}\), \(\mathrm{NO_3^-}\), \(\mathrm{CO_3^{2-}}\), \(\mathrm{OH^-}\) | Окисляется вода, выделяется \(\mathrm{O_2}\) |
| \(\mathrm{F^-}\) | Окисляется вода, выделяется \(\mathrm{O_2}\) |
1. Запишите ионы, присутствующие в растворе, и учтите воду. 2. На катоде выберите восстановление катиона металла или воды. 3. На аноде выберите окисление аниона или воды. 4. Уравняйте число электронов. 5. Сложите полуреакции и проверьте состав раствора и заряды.
Какие продукты образуются при электролизе водного раствора \(\mathrm{Na_2SO_4}\) на инертных электродах?
Типичные случаи для водных растворов солей
Если соль содержит активный катион и бескислородный анион-галогенид, на катоде выделяется водород, а на аноде — галоген. Например, для раствора хлорида натрия:
Если соль содержит активный катион и кислородсодержащий анион, на обоих электродах разряжается вода: образуются водород и кислород. Если катион менее активного металла восстанавливается, а анион кислородсодержащий, металл выделяется на катоде, кислород — на аноде.
Если анод изготовлен из металла, способного окисляться, например из меди, часто идёт реакция \(\mathrm{Cu\rightarrow Cu^{2+}+2e^-}\). Тогда медь растворяется, а на катоде осаждается медь из раствора.
Разобранный пример: электролиз раствора CuCl₂
Определим продукты электролиза водного раствора \(\mathrm{CuCl_2}\) на инертных электродах и составим суммарное уравнение.
Показать Шешім Разбор
На катоде выделяется медь, на аноде — хлор.
Как записывать ответ и проверять себя
В экзаменационной задаче укажите процессы на катоде и аноде, продукты и, если требуется, суммарное уравнение. Проверьте сохранение атомов и заряда, сокращение электронов и минимальность коэффициентов.
Не путайте знак электрода: при электролизе катод отрицательный, но именно на нём идёт восстановление. Не разряжайте \(\mathrm{Na^+}\), \(\mathrm{K^+}\), \(\mathrm{Ca^{2+}}\) и \(\mathrm{Al^{3+}}\) в водном растворе — выделяется водород. Не считайте сульфат, нитрат и карбонат обычными галогенидами: на аноде обычно образуется кислород. Не забывайте воду как участника процесса. Обязательно учитывайте материал электрода.
Если нужно найти массу, объём или количество вещества продуктов, сначала определите полуреакцию и число электронов на одну частицу. Затем применяйте закон Фарадея для электролиза. Электронный баланс при электролизе является частью общей темы окислительно-восстановительных процессов при электролизе.
Жылдам тест
Проверьте понимание
Главное
- Катод отрицательный в электролизёре, но всегда является местом восстановления; анод положительный и всегда является местом окисления.
- Вода восстанавливается до водорода, если катион относится к активным металлам; катионы менее активных металлов могут выделяться в виде металла.
- Хлорид-, бромид- и иодид-ионы обычно окисляются до галогенов; кислородсодержащие анионы обычно не разряжаются, поэтому окисляется вода и выделяется кислород.
- Алгоритм решения: определить частицы, выбрать катодную и анодную полуреакции, уравнять электроны, сложить уравнения и проверить баланс.
- Материал электрода важен: инертный электрод не расходуется, активный анод может растворяться.