Электролиз расплавов
Электролиз расплавов — это превращение веществ на электродах при пропускании постоянного электрического тока через расплавленную соль. В расплаве нет воды, поэтому продукты определяются только катионами и анионами самой соли: катионы восстанавливаются на катоде, анионы окисляются на аноде.
Расплав соли содержит подвижные ионы, образовавшиеся при разрушении ионной кристаллической решётки. Например, расплав \(\mathrm{NaCl}\) содержит \(\mathrm{Na^+}\) и \(\mathrm{Cl^-}\), но не содержит молекул воды. Электроды обычно погружены в расплав и соединены с источником постоянного тока.
Что происходит в расплаве
Перед решением тапсырмалар полезно повторить общую схему электролиза. При включении источника тока положительно заряженные ионы — катионы — движутся к отрицательному электроду, катоду. Отрицательно заряженные ионы — анионы — движутся к положительному электроду, аноду. Подробно направление движения рассматривается на страницах движение катионов и движение анионов.
| Участок электролизёра | Знак электрода | Процесс | Что происходит |
|---|---|---|---|
| Катод | − | Восстановление | Катион принимает электроны |
| Анод | + | Окисление | Анион отдаёт электроны |
В расплаве бинарной соли \(\mathrm{M_aX_b}\) катионы металла восстанавливаются на катоде до металла, а анионы кислотного остатка окисляются на аноде. Вода и конкурирующие процессы не учитываются, потому что воды в расплаве нет.
Например, в расплаве хлорида натрия ионы \(\mathrm{Na^+}\) разряжаются на катоде, а ионы \(\mathrm{Cl^-}\) — на аноде. Образуются металлический натрий и хлор.
Алгоритм определения продуктов
В экзаменационной задаче сначала запишите диссоциацию соли, затем отдельно составьте катодный и анодный процессы. После этого уравняйте число электронов и сложите полуреакции.
- Запишите формулу соли и определите её ионы.
- Укажите катод и анод: катод имеет знак «−», анод — знак «+».
- Для катиона составьте реакцию восстановления: катион принимает электроны и превращается в металл.
- Для аниона составьте реакцию окисления: анион отдаёт электроны. Одноатомные галогенид-ионы образуют двухатомные молекулы галогена.
- Уравняйте электроны в полуреакциях и получите суммарное уравнение.
- Назовите продукты и проверьте, что атомы и заряд сбалансированы.
Если соль состоит из катиона металла и одноатомного аниона, достаточно мысленно заменить катион на металл, а два аниона объединить в молекулу простого вещества: \(\mathrm{2Cl^-\rightarrow Cl_2}\), \(\mathrm{2Br^-\rightarrow Br_2}\), \(\mathrm{2I^-\rightarrow I_2}\). Для кислородсодержащих анионов анодный продукт нужно анализировать отдельно.
Какие вещества образуются при электролизе расплава \(\mathrm{KBr}\)?
Разбор примера: электролиз расплава хлорида кальция
Определите продукты электролиза расплава \(\mathrm{CaCl_2}\) и составьте суммарное уравнение процесса.
Показать Шешім Жауап
На катоде выделяется кальций, на аноде — хлор. Суммарное уравнение: \(\mathrm{CaCl_2\rightarrow Ca+Cl_2}\). Важно не писать водород вместо кальция: воды в расплаве нет.
Для солей с катионом, имеющим заряд \(3+\), например \(\mathrm{AlCl_3}\), на катоде записывают \(\mathrm{Al^{3+}+3e^-\rightarrow Al}\). На аноде по-прежнему протекает процесс \(\mathrm{2Cl^-\rightarrow Cl_2+2e^-}\). Чтобы сложить процессы, используют наименьшее общее кратное для числа электронов.
Особенности разных анионов
Для галогенидов решение обычно прямое: фторид, хлорид, бромид и иодид-ион отдают электроны с образованием соответствующего галогена. Например, \(\mathrm{2F^-\rightarrow F_2+2e^-}\).
| Анион в расплаве | Анодный процесс | Продукт на аноде |
|---|---|---|
| \(\mathrm{Cl^-}\) | \(\mathrm{2Cl^-\rightarrow Cl_2+2e^-}\) | Хлор |
| \(\mathrm{Br^-}\) | \(\mathrm{2Br^-\rightarrow Br_2+2e^-}\) | Бром |
| \(\mathrm{I^-}\) | \(\mathrm{2I^-\rightarrow I_2+2e^-}\) | Иод |
| \(\mathrm{O^{2-}}\) | \(\mathrm{2O^{2-}\rightarrow O_2+4e^-}\) | Кислород |
Оксид-ионы в расплаве оксида металла окисляются до кислорода. Например, при электролизе расплава оксида алюминия на катоде образуется алюминий, а на аноде — кислород. В промышленности угольные аноды могут дополнительно реагировать с кислородом, поэтому фактический анодный газ может содержать оксиды углерода; в школьной идеализированной записи учитывают состав соли и электроды, указанные в условии.
Если в расплаве присутствуют оксид-ионы \(\mathrm{O^{2-}}\), на аноде возможна реакция \(\mathrm{2O^{2-}\rightarrow O_2+4e^-}\). Нельзя автоматически переносить правила водных растворов: в расплаве нет воды, а значит, нет конкурирующего выделения водорода или кислорода из молекул воды.
Связь с устройством ячейки и количеством вещества
В электролитической ячейке катод соединён с отрицательным полюсом источника, анод — с положительным. Названия «катод» и «анод» определяются процессом, а не знаком: на катоде всегда идёт восстановление, на аноде — окисление. Для более подробного изучения процессов используйте страницы катодные процессы в расплавах и анодные процессы в расплавах.
Массу выделившегося вещества можно вычислять по закону Фарадея. Сначала находят количество электронов по заряду тока, затем учитывают число электронов, необходимое для образования одной частицы продукта.
Здесь \(I\) — сила тока, \(t\) — время, \(F\approx96500\ \mathrm{Кл/моль}\), \(M\) — молярная масса продукта, \(z\) — число электронов на одну частицу вещества. Для кальция \(z=2\), для алюминия \(z=3\), для хлора \(z=2\) на одну молекулу \(\mathrm{Cl_2}\).
1. Пишут электролиз воды вместо электролиза расплава. 2. Путают знаки электродов: в электролизёре катод отрицательный, анод положительный. 3. Записывают на аноде \(\mathrm{Cl}\) вместо устойчивой молекулы \(\mathrm{Cl_2}\). 4. Забывают уравнять электроны. 5. Для \(\mathrm{O^{2-}}\) ставят кислород с неверным числом электронов: правильно \(\mathrm{2O^{2-}\rightarrow O_2+4e^-}\). 6. Не учитывают, что при наличии угольного анода кислород может реагировать с углеродом.
Как отличить расплав от раствора
В расплаве рассматривают только частицы соли. В водном растворе появляются молекулы воды и ионы \(\mathrm{H^+}\) и \(\mathrm{OH^-}\), поэтому продукты могут отличаться. Например, на катоде водного раствора соли активного металла часто выделяется водород, а не металл. Поэтому перед составлением уравнений внимательно определите агрегатное состояние: слова «расплав», «плавление», «без воды» являются ключевыми.
- Указано, что соль расплавлена.
- Вода не включена в схему частиц.
- Катодный процесс записан как восстановление катиона.
- Анодный процесс записан как окисление аниона.
- Атомы и электроны уравнены.
Проверь себя
Главное
- В расплаве соли отсутствует вода, поэтому учитывают только катионы и анионы соли.
- На катоде идёт восстановление катиона: катион принимает электроны и превращается в металл.
- На аноде идёт окисление аниона: галогенид-ионы образуют галогены, оксид-ионы — кислород.
- Сначала записывают полуреакции, затем уравнивают электроны и складывают их.
- Для расчётов используют \(Q=It\) и \(m=\frac{MIt}{zF}\); при решении важно различать расплав и водный раствор.