Электролиз смеси электролитов
При электролизе смеси электролитов в растворе одновременно присутствуют несколько катионов и анионов, но на каждом электроде обычно разряжается не любой ион, а наиболее активный участник конкуренции. Чтобы решить задачу, определяют состав раствора, сравнивают ионы по последовательности разряда ионов и учитывают материал электродов.
1. Что происходит в растворе смеси
Электролит в воде распадается на подвижные ионы. Например, смесь хлорида натрия и сульфата меди(II) содержит катионы \(\mathrm{Na^+}\) и \(\mathrm{Cu^{2+}}\), анионы \(\mathrm{Cl^-}\) и \(\mathrm{SO_4^{2-}}\), а также молекулы воды. На катоде протекают реакции восстановления: частицы принимают электроны. На аноде идут реакции окисления: частицы отдают электроны.
Электролиз — это совокупность окислительно-восстановительных процессов, происходящих на электродах при прохождении постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита. Катод всегда является местом восстановления, анод — местом окисления.
В водном растворе конкурируют не только ионы соли, но и вода. Поэтому при наличии, например, \(\mathrm{Na^+}\) нужно сравнить восстановление натрия с восстановлением воды. При наличии сульфат-иона сравнивают его окисление с окислением воды или другого аниона.
На катоде преимущественно разряжается частица, восстановление которой протекает легче. На аноде преимущественно разряжается частица, окисление которой протекает легче. Если ионы находятся в близкой конкуренции, учитывают концентрацию, материал электрода и условия электролиза.
2. Реті разряда катионов на катоде
Катод заряжен отрицательно, поэтому к нему движутся катионы. Для школьных задач удобно использовать такой порядок: сначала восстанавливаются катионы малоактивных металлов, затем ионы водорода, а катионы активных металлов обычно не разряжаются из водных растворов — вместо них восстанавливается вода.
| Катионы в растворе | Что обычно происходит на катоде |
|---|---|
| \(\mathrm{Cu^{2+}}\), \(\mathrm{Ag^+}\), \(\mathrm{Hg^{2+}}\), \(\mathrm{Pt^{2+}}\) | Выделяется металл |
| \(\mathrm{H^+}\) | Выделяется водород |
| \(\mathrm{Na^+}\), \(\mathrm{K^+}\), \(\mathrm{Ca^{2+}}\), \(\mathrm{Ba^{2+}}\), \(\mathrm{Mg^{2+}}\), \(\mathrm{Al^{3+}}\) | Вода восстанавливается, выделяется водород |
| \(\mathrm{Fe^{2+}}\), \(\mathrm{Zn^{2+}}\) | В школьных задачах результат зависит от условий; часто учитывают ряд активности и концентрацию |
Если в смеси есть, например, \(\mathrm{Cu^{2+}}\) и \(\mathrm{Na^+}\), первым обычно разряжается \(\mathrm{Cu^{2+}}\): медь осаждается на катоде. После расходования ионов меди начинает восстанавливаться вода, и выделяется водород. Поэтому при длительном электролизе состав продуктов может изменяться.
Что выделится на катоде при электролизе водного раствора, содержащего \(\mathrm{CuSO_4}\) и \(\mathrm{NaCl}\), если электроды инертные и ионы меди ещё присутствуют?
3. Реті разряда анионов на аноде
Анод заряжен положительно, поэтому к нему движутся анионы. На инертном аноде обычно легче окисляются галогид-ионы, чем кислородсодержащие анионы. В школьном приближении конкуренция выглядит так: \(\mathrm{I^-}\), \(\mathrm{Br^-}\), \(\mathrm{Cl^-}\) разряжаются с выделением галогена; \(\mathrm{OH^-}\) и вода дают кислород; \(\mathrm{SO_4^{2-}}\), \(\mathrm{NO_3^-}\), \(\mathrm{CO_3^{2-}}\) обычно не разряжаются, вместо них окисляется вода.
Таким образом, в смеси \(\mathrm{CuCl_2}\) и \(\mathrm{Na_2SO_4}\) на аноде сначала вероятнее всего выделяется хлор, а сульфат-ион остаётся в растворе. В нейтральной или щелочной записи вместо воды иногда используют гидроксид-ионы: \(4\mathrm{OH^-}-4e^-\rightarrow\mathrm{O_2}+2\mathrm{H_2O}\).
При инертном аноде (уголь, платина) окисляются анионы раствора или вода. Если анод сделан из металла, который может окисляться, сам электрод иногда растворяется: \(\mathrm{Cu\rightarrow Cu^{2+}+2e^-}\). Поэтому перед выбором анодной полуреакции проверьте материал электрода. Подробный алгоритм см. на странице электролиз растворов с инертными электродами.
4. Алгоритм шешімдер тапсырма на смесь электролитов
- Запишите диссоциацию всех растворимых электролитов и добавьте воду как возможный қатысушы.
- Разделите частицы на катионы и анионы.
- Для катода выберите наиболее легко восстанавливающийся катион; сравните его с водой.
- Для анода выберите наиболее легко окисляющийся анион; проверьте, не растворяется ли электрод.
- Запишите полуреакции и уравняйте число электронов. Для этого полезна бет электронный баланс при электролизе.
- Составьте суммарное уравнение, если это требуется, и определите продукты: металл, водород, галоген или кислород.
- Проверьте, какие ионы остались в растворе и как изменились его свойства.
Определим продукты электролиза водного раствора смеси \(\mathrm{CuSO_4}\) и \(\mathrm{NaCl}\) при инертных электродах. Считаем, что концентрации обычные, а ионы меди и хлорида ещё не израсходованы.
Если электролиз продолжать после расходования \(\mathrm{Cu^{2+}}\) немесе \(\mathrm{Cl^-}\), продукты могут измениться: на катоде начнёт выделяться водород, а на аноде — кислород. Поэтому ответ «медь и хлор» относится к указанному этапу и условиям.
1. Путают знак электрода: при электролизе катод отрицательный, анод положительный. 2. Считают, что любой металл выделяется из воды: активные металлы обычно вытесняются водородом из воды. 3. Разряжают сульфат или нитрат вместо воды: в типичных школьных задачах эти анионы остаются в растворе. 4. Забывают конкуренцию воды. 5. Не учитывают растворимый анод. 6. Составляют молекулярное уравнение до записи полуреакций и теряют электронный баланс.
5. Изменение продуктов и состава раствора
Продукты зависят от того, какие ионы расходуются первыми. При осаждении металла концентрация его катионов уменьшается. При выделении галогена расходуется соответствующий анион. При восстановлении воды образуются \(\mathrm{OH^-}\), а при окислении воды — \(\mathrm{H^+}\). Поэтому около катода раствор может становиться щелочным, около анода — кислым.
| Участок | Тип процесса | Возможное изменение среды |
|---|---|---|
| Катод | Восстановление воды | Образуются \(\mathrm{OH^-}\), среда становится щелочной |
| Катод | Осаждение металла | Катион металла удаляется из раствора |
| Анод | Окисление воды | Образуются \(\mathrm{H^+}\), среда становится кислой |
| Анод | Окисление галогид-иона | Выделяется галоген, анион расходуется |
Для определения наблюдаемых веществ можно использовать страницу определение продуктов электролиза, а для количественных расчётов — бет полуреакции электролиза и выход по току.
Быстрая проверка
Главное
- Катод — место восстановления, анод — место окисления; при электролизе катод отрицательный, анод положительный.
- В смеси сначала сравнивают все катионы с водой на катоде и все анионы с водой на аноде.
- Малоактивные металлы обычно осаждаются, активные металлы заменяются водородом из воды.
- Галогид-ионы обычно дают галогены; сульфат-, нитрат- и карбонат-ионы чаще остаются в растворе, а вода даёт кислород.
- После расходования конкурирующего иона продукт на электроде может измениться, поэтому всегда учитывают этап электролиза и материал анода.