Электролиз
Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, который протекает на электродах под действием постоянного электрического тока. На странице разобраны устройство электролитической ячейки, движение ионов и алгоритм определения веществ, образующихся на катоде и аноде.
Сущность электролиза
Электролиз проводят в расплаве или растворе электролита. Электролит распадается на подвижные ионы: положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы. Внешний источник тока создаёт электрическое поле и поддерживает направленное движение ионов.
Электролиз — совокупность окислительно-восстановительных процессов, происходящих на электродах при прохождении постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита.
Катод соединён с отрицательным полюсом источника тока, поэтому к нему движутся катионы. На катоде всегда происходит восстановление: частицы принимают электроны. Анод соединён с положительным полюсом, к нему движутся анионы. На аноде всегда происходит окисление: частицы отдают электроны.
Знак электрода зависит от типа установки, но направление превращения не меняется: на катоде идёт восстановление, на аноде — окисление. Поэтому сначала определяют процессы, а уже затем записывают уравнения.
Движение ионов и процессы на электродах
В растворе электролита одновременно могут находиться ионы растворённого вещества и ионы воды. Поэтому в задачах важно рассматривать всех возможных участников разряда. Подробное направление движения катионов разобрано на странице движение катионов, а движение отрицательных ионов — на странице движение анионов.
- Катион \(M^{n+}\) на катоде принимает электроны: \(M^{n+}+ne^-\rightarrow M\).
- Анион \(A^{m-}\) на аноде отдаёт электроны: \(A^{m-}\rightarrow A+m e^-\).
- Вода может восстанавливаться на катоде с выделением водорода или окисляться на аноде с выделением кислорода.
- Электроны во внешней цепи движутся от анода к источнику тока и далее к катоду, а в электролите перенос заряда осуществляют ионы.
Катионы идут к катоду, анионы — к аноду. Слова «катод» и «катион» связаны по смыслу направления, но катод не всегда положительный: при электролизе он отрицательный.
Алгоритм определения продуктов
Для электролиза растворов нужно учитывать конкуренцию воды и ионов растворённого вещества. В расплавах воды нет, поэтому разряжаются только ионы соли; особенности таких процессов рассмотрены на странице электролиз расплавов.
- Запишите формулу электролита и определите его ионы.
- Укажите катод и анод. Помните: на катоде восстановление, на аноде окисление.
- Для катода сравните восстановление катиона металла и воды. Неактивные металлы обычно выделяются из раствора; активные металлы, стоящие в ряду напряжений до алюминия, как правило, не выделяются, вместо них восстанавливается вода.
- Для анода установите, может ли окислиться анион. Галогенид-ионы \(Cl^-\), \(Br^-\), \(I^-\) обычно окисляются до простых веществ. Кислородсодержащие анионы, например \(SO_4^{2-}\) и \(NO_3^-\), обычно не разряжаются: окисляется вода или гидроксид-ионы.
- Запишите полуреакции на электродах, уравняйте электроны и сложите их. Проверьте атомы и общий заряд.
Что происходит на катоде при электролизе раствора?
Типичные случаи электролиза растворов
| Электролит | Катод | Анод |
|---|---|---|
| Раствор соли неактивного металла и бескислородного аниона | металл | простое вещество из аниона |
| Раствор соли активного металла и бескислородного аниона | водород | простое вещество из аниона |
| Раствор соли активного металла и кислородсодержащего аниона | водород | кислород |
| Раствор щёлочи | водород | кислород |
Например, при электролизе раствора хлорида натрия натрий в воде не выделяется: вместо \(Na^+\) восстанавливаются молекулы воды. На аноде окисляются хлорид-ионы. Образуются водород, хлор и раствор гидроксида натрия.
Инертный электрод не расходуется в реакции и только передаёт электроны между источником тока и раствором. Подробнее его роль описана на странице инертный электрод. Если электрод активен, он сам может окисляться на аноде и переходить в раствор.
Разобранный пример
Определим продукты электролиза раствора сульфата меди(II) на инертных электродах.
После составления суммарного уравнения проверьте не только атомы, но и смысл процесса: на катоде должен появиться металл или водород, на аноде — неметалл, кислород либо раствор материала активного анода.
Количество вещества и законы Фарадея
Масса продукта зависит от электрического заряда, прошедшего через электролит. Для количественных задач используют законы Фарадея и связь заряда с силой тока и временем.
Здесь \(Q\) — заряд, \(I\) — сила тока, \(t\) — время, \(m\) — масса вещества, \(M\) — молярная масса, \(n\) — число электронов в полуреакции, \(F\approx96500\ \text{Кл/моль}\). Бет электрический заряд при электролизе помогает отдельно отработать расчёт \(Q\).
Не путайте катод с положительным электродом: при электролизе катод отрицательный. Не записывайте натрий, калий или кальций как продукты электролиза их водных растворов. Не объявляйте сульфат или нитрат газом на аноде без проверки: обычно выделяется кислород. Не забывайте уравнивать электроны в полуреакциях.
Проверь себя
Главное
- Электролиз — окислительно-восстановительный процесс под действием постоянного тока.
- На катоде всегда восстановление, на аноде всегда окисление.
- Катионы движутся к катоду, анионы — к аноду.
- В водных растворах нужно учитывать конкуренцию ионов и воды; в расплавах участвуют только ионы электролита.
- Для расчётов используют формулы \(Q=It\) и \(m=\frac{MIt}{nF}\); число электронов \(n\) берут из полуреакции.