Определение продуктов электролиза
Чтобы определить продукты электролиза, сначала установите состав электролита и материал электродов, затем отдельно разберите процессы на катоде и аноде. Учитывайте, что в водном растворе конкурируют частицы электролита и молекулы воды, а растворимый анод сам может участвовать в реакции.
Основные понятия и знаки электродов
Полуреакции электролиза протекают на двух электродах. Катод соединён с отрицательным полюсом источника постоянного тока; на нём идёт восстановление, то есть присоединение электронов. Анод соединён с положительным полюсом; на нём идёт окисление, то есть отдача электронов.
Катод: восстановление и присоединение электронов. Анод: окисление и отдача электронов. Знаки катода и анода в электролизёре противоположны знакам электродов гальванического элемента.
Электроны во внешней цепи поступают к катоду, поэтому положительно заряженные частицы движутся к катоду, а отрицательно заряженные — к аноду. Однако знак иона сам по себе не всегда полностью определяет продукт: в растворе вода может разряжаться вместо иона.
Универсальный алгоритм
- Определите среду: расплав или водный раствор. В расплаве воды нет, поэтому разряжаются только ионы электролита.
- Запишите ионы электролита. Для соли \(\mathrm{MX}\) это обычно катион \(\mathrm{M^{n+}}\) и анион \(\mathrm{X^{m-}}\).
- Уточните материал электродов: инертный электрод не расходуется, а растворимый анод окисляется и переходит в раствор.
- На катоде выберите частицу, которая восстанавливается: катион металла или вода.
- На аноде выберите частицу, которая окисляется: анион, вода или материал растворимого анода.
- Запишите полуреакции, уравняйте число электронов и при необходимости составьте суммарное уравнение электролиза.
В расплаве на катоде восстанавливается катион, а на аноде окисляется анион. В водном растворе на каждом электроде сравнивают разряжающиеся частицы с водой и учитывают активность металла и состав аниона.
Электролиз расплавов
В расплаве отсутствуют молекулы воды, поэтому выбор проще. Например, в расплаве хлорида натрия к катоду движутся ионы натрия, а к аноду — хлорид-ионы.
Полуреакции: на катоде \(\mathrm{Na^+ + e^- \rightarrow Na}\), на аноде \(\mathrm{2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2}\). Если расплав содержит оксид металла, на катоде выделяется металл, а на аноде обычно образуется кислород: \(\mathrm{2O^{2-} - 4e^- \rightarrow O_2}\).
Сначала мысленно уберите растворитель: в расплаве не существует конкуренции с водой. Затем катион поставьте в катодную полуреакцию, а анион — в анодную.
Водные растворы: катод
На катоде возможны два основных варианта: восстановление катиона металла или восстановление воды с выделением водорода. Для металлов, стоящих после водорода в ряду активности, обычно записывают восстановление катиона: \(\mathrm{Cu^{2+}+2e^-\rightarrow Cu}\), \(\mathrm{Ag^+ + e^-\rightarrow Ag}\).
Для активных металлов — например, калия, натрия, кальция, магния и алюминия — в водном растворе обычно восстанавливается вода. В нейтральной или щелочной записи: \(\mathrm{2H_2O+2e^-\rightarrow H_2+2OH^-}\). В кислой среде используют жазба \(\mathrm{2H^+ +2e^-\rightarrow H_2}\).
| Условие | Процесс на катоде | Продукт |
|---|---|---|
| Катион неактивного металла, например \(\mathrm{Cu^{2+}}\) | \(\mathrm{Cu^{2+}+2e^-\rightarrow Cu}\) | Металл |
| Катион активного металла, например \(\mathrm{Na^+}\) | \(\mathrm{2H_2O+2e^-\rightarrow H_2+2OH^-}\) | Водород |
| Раствор сильной кислоты | \(\mathrm{2H^+ +2e^-\rightarrow H_2}\) | Водород |
Что выделяется на катоде при электролизе водного раствора \(\mathrm{CuSO_4}\) с инертными электродами?
Водные растворы: анод
На инертном аноде окисляется либо анион, либо вода. Галогенид-ионы, кроме фторид-ионов, обычно дают галоген: \(\mathrm{2Cl^- -2e^-\rightarrow Cl_2}\), \(\mathrm{2Br^- -2e^-\rightarrow Br_2}\), \(\mathrm{2I^- -2e^-\rightarrow I_2}\).
Для кислородсодержащих анионов — сульфата, нитрата, карбоната, фосфата — обычно окисляется вода: \(\mathrm{2H_2O-4e^-\rightarrow O_2+4H^+}\). На практике состав раствора у анода может изменяться из-за появления ионов водорода.
Галогениды \(\mathrm{Cl^-}\), \(\mathrm{Br^-}\) и \(\mathrm{I^-}\) обычно дают соответствующий галоген. Кислородсодержащие анионы обычно не разряжаются: окисляется вода, выделяется кислород.
Если анод изготовлен из металла, способного окисляться, он может быть растворимым анодом. Тогда главная анодная полуреакция имеет вид \(\mathrm{M\rightarrow M^{n+}+ne^-}\), а металл анода переходит в раствор. Это особенно важно при электролизе растворов солей меди, никеля и других металлов с анодом из того же металла.
Разобранный пример
Определим продукты электролиза водного раствора \(\mathrm{CuCl_2}\) с инертными электродами и запишем суммарное уравнение.
Показать Шешім Шешім
На катоде выделяется медь \(\mathrm{Cu}\), на аноде — хлор \(\mathrm{Cl_2}\). Раствор постепенно обедняется ионами \(\mathrm{Cu^{2+}}\) и \(\mathrm{Cl^-}\).
Сравнение типичных случаев
| Электролит и электроды | Катодный продукт | Анодный продукт |
|---|---|---|
| Расплав \(\mathrm{NaCl}\), инертные | \(\mathrm{Na}\) | \(\mathrm{Cl_2}\) |
| Раствор \(\mathrm{NaCl}\), инертные | \(\mathrm{H_2}\) | \(\mathrm{Cl_2}\) |
| Раствор \(\mathrm{CuSO_4}\), инертные | \(\mathrm{Cu}\) | \(\mathrm{O_2}\) |
| Раствор \(\mathrm{CuSO_4}\), медный анод | \(\mathrm{Cu}\) | Растворение меди, \(\mathrm{Cu^{2+}}\) |
| Раствор \(\mathrm{AgNO_3}\), инертные | \(\mathrm{Ag}\) | \(\mathrm{O_2}\) |
Для раствора хлорида натрия с инертными электродами катодная реакция воды образует водород и гидроксид-ионы, а анодная реакция хлоридов — хлор. Поэтому рядом с катодом раствор становится щелочным. Не следует автоматически считать, что любой катион даёт металл, а любой анион — неметалл.
1. Путают анод и катод: при электролизе катод отрицательный, анод положительный. 2. Считают, что в растворе всегда выделяется металл: для активных металлов восстанавливается вода. 3. Записывают разряд сульфата или нитрата вместо окисления воды. 4. Забывают проверить материал анода: растворимый анод расходуется. 5. Не уравнивают электроны и атомы в полуреакциях. 6. Переносят правило для раствора на расплав, где воды нет.
Контроль перед записью ответа
- Указаны агрегатное состояние электролита и наличие воды.
- Знаки катода и анода определены именно для электролиза.
- Проверено, инертны ли электроды или анод растворимый.
- Для каждой полуреакции соблюдены заряд и число атомов.
- После суммирования электронов продукты согласуются с составом раствора.
Быстрая проверка
Кратко
- Катод — отрицательный электрод электролизёра, на нём идёт восстановление; анод — положительный, на нём идёт окисление.
- В расплавах разряжаются только ионы электролита; в водных растворах конкурирует вода.
- На катоде активные металлы обычно уступают воде, а менее активные металлы выделяются в виде простых веществ.
- На инертном аноде галогениды обычно дают галогены, а кислородсодержащие анионы — кислород из воды.
- Растворимый анод окисляется и переходит в раствор, поэтому материал электродов нужно проверять до записи полуреакций.