Электролиз, подготовка к ЕГЭ по химии

Электролиз (греч. elektron — янтарь + lysis — разложение) — химическая реакция, происходящая при прохождении постоянного тока через электролит. Это разложение веществ на их составные части под действием электрического тока.

Процесс электролиза заключается в перемещении катионов (положительно заряженных ионов) к катоду (заряжен отрицательно), и отрицательно заряженных ионов (анионов) к аноду (заряжен положительно).

Итак, анионы и катионы устремляются соответственно к аноду и катоду. Здесь и происходит химическая реакция. Чтобы успешно решать задания по этой теме и писать реакции, необходимо разделять процессы на катоде и аноде. Именно так и будет построена эта статья.

Катод

К катоду притягиваются катионы — положительно заряженные ионы: Na

+, K⁺, Cu²⁺, Fe³⁺, Ag⁺ и т.д.

Чтобы установить, какая реакция идет на катоде, прежде всего, нужно определиться с активностью металла: его положением в электрохимическом ряду напряжений металлов.

Если на катоде появился активный металл (Li, Na, K) то вместо него восстанавливаются молекулы воды, из которых выделяется водород. Если металл средней активности (Cr, Fe, Cd) — на катоде выделяется и водород, и сам металл. Малоактивные металлы выделяются на катоде в чистом виде (Cu, Ag).

Замечу, что границей между металлами активными и средней активности в ряду напряжений считается алюминий. При электролизе на катоде металлы до алюминия (включительно!) не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды — выделяется водород.

В случае, если на катод поступают ионы водорода — H⁺ (например при электролизе кислот HCl, H₂SO₄) восстанавливается водород из молекул кислоты: 2H⁺ — 2e = H₂

Анод

К аноду притягиваются анионы — отрицательно заряженные ионы: SO

4^2-, PO₄^3-, Cl^—, Br^—, I^—, F^—, S^2-, CH₃COO^—.

При электролизе кислородсодержащих анионов: SO₄^2-, PO₄^3- — на аноде окисляются не анионы, а молекулы воды, из которых выделяется кислород.

Бескислородные анионы окисляются и выделяют соответствующие галогены. Сульфид-ион при оксилении окислении серу. Исключением является фтор — если он попадает анод, то разряжается молекула воды и выделяется кислород. Фтор — самый электроотрицательный элемент, поэтому и является исключением.

Анионы органических кислот окисляются особым образом: радикал, примыкающий к карбоксильной группе, удваивается, а сама карбоксильная группа (COO) превращается в углекислый газ — CO₂.

Примеры решения

В процессе тренировки вам могут попадаться металлы, которые пропущены в ряду активности. На этапе обучения вы можете пользоваться расширенным рядом активности металлов.

Теперь вы точно будете знать, что выделяется на катоде ;-)

Итак, потренируемся. Выясним, что образуется на катоде и аноде при электролизе растворов AgCl, Cu(NO₃)₂, AlBr₃, NaCl, BaI₂, CH₃COOLi.

Иногда в заданиях требуется записать реакцию электролиза. Сообщаю: если вы понимаете, что образуется на катоде, а что на аноде, то написать реакцию не составляет никакого труда. Возьмем, например, электролиз NaCl и запишем реакцию:

NaCl + H₂O → H₂ + Cl₂ + NaOH

Натрий — активный металл, поэтому на катоде выделяется водород. Анион не содержит кислорода, выделяется галоген — хлор. Мы пишем уравнение, так что не можем заставить натрий испариться бесследно 🙂 Натрий вступает в реакцию с водой, образуется NaOH.

Запишем реакцию электролиза для CuSO₄:

CuSO₄ + H₂O → Cu + O₂ + H₂SO₄

Медь относится к малоактивным металлам, поэтому сама в чистом виде выделяется на катоде. Анион кислородсодержащий, поэтому в реакции выделяется кислород. Сульфат-ион никуда не исчезает, он соединяется с водородом воды и превращается в серую кислоту.

Электролиз расплавов

Все, что мы обсуждали до этого момента, касалось электролиза растворов, где растворителем является вода.

Перед промышленной химией стоит важная задача — получить металлы (вещества) в чистом виде. Малоактивные металлы (Ag, Cu) можно легко получать методом электролиза растворов.

Но как быть с активными металлами: Na, K, Li? Ведь при электролизе их растворов они не выделяются на катоде в чистом виде, вместо них восстанавливаются молекулы воды и выделяется водород. Тут нам как раз пригодятся расплавы, которые не содержат воды.

В безводных расплавах реакции записываются еще проще: вещества распадаются на составные части:

AlCl₃ → Al + Cl₂

LiBr → Li + Br₂

©Беллевич Юрий Сергеевич

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

ЕГЭ. Электролиз растворов. Примеры

Электролиз растворов электролитов с инертными электродами

Напомним, что на катоде протекают процессы восстановления, на аноде — процессы окисления.

Процессы, протекающие на катоде:

В растворе имеются несколько видов положительно заряженных частиц, способных восстанавливаться на катоде:

1) Катионы металла восстанавливаются до простого вещества, если металл находится в ряду напряжений правее алюминия (не включая сам Al). Например:
Zn²⁺ +2e → Zn⁰.

 

2) В случае раствора соли или щелочи: катионы водорода восстанавливаются до простого вещества, если металл находится в ряду напряжений металлов до H₂:
2H₂O + 2e → H₂⁰ + 2OH^–.
Например, в случае электролиза растворов NaNO₃ или KOH.

 

3) В случае электролиза раствора кислоты: катионы водорода восстанавливаются до простого вещества:

2H⁺ +2e → H₂.
Например, в случае электролиза раствора H₂SO₄.

Процессы, протекающие на аноде:

На аноде легко окисляются кислотные остатки не содержащие кислород. Например, галогенид-ионы (кроме F^–), сульфид-анионы, гидроксид-анионы и молекулы воды:

1) Галогенид-анионы окисляются до простых веществ:
2Cl^– – 2e → Cl₂.

 

2) В случае электролиза раствора щелочи в гидроксид-анионах кислород окисляется до простого вещества. Водород уже имеет степень окисления +1 и не может быть окислен дальше. Также будет выделение воды — почему? Потому что больше ничего написать и не получится: 1) H⁺ написать не можем, так как OH

– и H⁺ не могут стоять по разные стороны одного уравнения; 2) H₂ написать также не можем, так как это был бы процесс восстановления водорода (2H⁺ +2e → H₂), а на аноде протекают только процессы окисления.
4OH^– – 4e → O₂ + 2H₂O.

 

3) Если в растворе есть анионы фтора или любые кислородсодержащие анионы, то окислению будет подвергаться вода с подкислением прианодного пространства согласно следующему уравнению:
2H₂O – 4e → O₂ + 4H⁺.
Такая реакция идет в случае электролиза растворов кислородсодержащих солей или кислородсодержащих кислот. В случае электролиза раствора щелочи окисляться будут гидроксид-анионы согласно правилу 2) выше.

 

4) В случае электролиза раствора соли органической кислоты на аноде всегда происходит выделение CO₂ и удвоение остатка углеродной цепи:
2R-COO^– – 2e → R-R + 2CO₂.

Примеры:

1. Раствор NaCl

Расписываем диссоциацию на ионы:
NaCl → Na⁺ + Cl^–

Металл Na стоит в ряду напряжений до алюминия, следовательно, восстанавливаться на катоде не будет (катионы остаются в растворе). Согласно правилу выше, на катоде восстанавливается водород. Хлорид-анионы будут окисляться на аноде до простого вещества:

 

К: 2Na⁺ (в растворе)
     2H₂O + 2e → H₂⁰ + 2OH^–
А: 2Cl^– – 2e → Cl₂

 

Коэффициент 2 перед Na⁺ появился из-за наличия аналогичного коэффициента перед хлорид-ионами, так как в соли NaCl их соотношение 1:1.

Проверяем, что количество принимаемых и отдаваемых электронов одинаковое, и суммируем левые и правые части катодных и анодных процессов:

 

2Na⁺ + 2Cl^– + 2H₂O → H₂⁰ + 2Na⁺ + 2OH^– + Cl₂. Соединяем катионы и анионы:
2NaCl + 2H₂O → H₂⁰ + 2NaOH + Cl₂.

 

2. Раствор Na₂SO₄

Расписываем диссоциацию на ионы:
Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄^2–

 

Натрий стоит в ряду напряжений до алюминия, следовательно, восстанавливаться на катоде не будет (катионы остаются в растворе). Согласно правилу выше, на катоде восстанавливается только водород. Сульфат-анионы содержат кислород, поэтому окисляться не будут, также оставаясь в растворе. Согласно правилу выше, в этом случае окисляются молекулы воды:

К: 2H₂O + 2e → H₂⁰ + 2OH^–
А: 2H₂O – 4e → O₂⁰ + 4H⁺.

 

Уравниваем число принимаемых и отдаваемых электронов на катоде и аноде. Для этого необходимо умножить все коэффициенты катодного процесса на 2:
К: 4H₂O + 4e → 2H₂⁰ + 4OH^–
А: 2H₂O – 4e → O₂⁰ + 4H⁺.

 

Складываем левые и правые части катодных и анодных процессов:
6H₂O → 2H₂⁰ + 4OH^– + 4H⁺ + O₂⁰.

 

4OH- и 4H+ соединяем в 4 молекулы H₂O:
6H₂O → 2H₂⁰ + 4H₂O + O₂⁰.

 

Сокращаем молекулы воды, находящиеся по обе стороны уравнения, т.е. вычитаем из каждой части уравнения 4H₂O и получаем итоговое уравнение гидролиза:
2H₂O → 2H₂⁰ + O₂⁰.

 

Таким образом, гидролиз растворов кислородсодержащих солей активных металлов (до Al включительно) сводится к гидролизу воды, так как ни катионы металлов, ни анионы кислотных остатков не принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, протекающих на электродах.

 

3. Раствор CuCl₂

Расписываем диссоциацию на ионы:
CuCl₂ → Cu²⁺ + 2Cl^–

 

Медь находится в ряду напряжений металлов после водорода, следовательно, только она будет восстанавливаться на катоде. На аноде будут окисляться только хлорид-а

Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей, кислот).

Что такое электролиз? Для более простого понимания ответа на этот вопрос давайте представим себе любой источник постоянного тока. У каждого источника постоянного тока всегда можно найти положительный и отрицательный полюс:

Подсоединим к нему две химически стойких электропроводящих пластины, которые назовем электродами. Пластину, присоединенную к положительному полюсу назовем анодом, а к отрицательному катодом:

Далее, представьте, что у вас есть возможность опустить эти два электрода в расплав хлорида натрия:

Хлорид натрия является электролитом, при его расплавлении происходит диссоциация на катионы натрия и хлорид-ионы:

NaCl = Na⁺ + Cl⁻

Очевидно, что заряженные отрицательно анионы хлора направятся к положительно заряженному электроду – аноду, а положительно заряженные катионы Na⁺ направятся к отрицательно заряженному электроду – катоду. В результате этого и катионы Na⁺ и анионы Cl⁻ разрядятся, то есть станут нейтральными атомами. Разрядка происходит посредством приобретения электронов в случае ионов Na⁺ и потери электронов в случае ионов Cl⁻. То есть на катоде протекает процесс:

Na⁺ + 1e⁻ = Na⁰,

А на аноде:

Cl⁻ − 1e⁻ = Cl

Поскольку каждый атом хлора имеет по неспаренному электрону, одиночное существование их невыгодно и атомы хлора объединяются в молекулу из двух атомов хлора:

Сl∙ + ∙Cl = Cl₂

Таким образом, суммарно, процесс, протекающий на аноде, правильнее  записать так:

2Cl⁻ − 2e⁻ = Cl₂

То есть мы имеем:

Катод: Na⁺ + 1e⁻ = Na⁰

Анод: 2Cl⁻ − 2e⁻ = Cl₂

Подведем электронный баланс:

Na⁺ + 1e⁻ = Na⁰ |∙2

2Cl⁻ − 2e⁻ = Cl₂ |∙1<

Сложим левые и правые части обоих уравнений полуреакций, получим:

2Na⁺ + 2e⁻ + 2Cl⁻ − 2e⁻= 2Na⁰ + Cl₂

Сократим два электрона аналогично тому, как это делается в алгебре получим ионное уравнение электролиза:

2Na⁺+ 2Cl⁻ = 2Na⁰ + Cl₂

далее, объединив ионы Na⁺  и Cl⁻ получим, уравнение электролиза расплава хлорида натрия:

2NaCl_(ж.)  => 2Na + Cl₂

Рассмотренный выше случай является с теоретической точки зрения наиболее простым, поскольку в расплаве хлорида натрия из положительно заряженных ионов были только ионы натрия, а из отрицательных – только анионы хлора.

Другими словами, ни у катионов Na⁺, ни у анионов Cl⁻ не было «конкурентов» за катод и анод.

А, что будет, например, если вместо расплава хлорида натрия ток пропустить через его водный раствор? Диссоциация хлорида натрия наблюдается и в этом случае, но становится невозможным образование металлического натрия в водном растворе. Ведь мы знаем, что натрий – представитель щелочных металлов – крайне активный металл, реагирующий с водой очень бурно. Если натрий не способен восстановиться в таких условиях, что же тогда будет восстанавливаться на катоде?

Давайте вспомним строение молекулы воды. Она представляет собой диполь, то есть у нее есть отрицательный и положительный полюсы:

Именно благодаря этому свойству, она способна «облеплять» как поверхность катода, так и поверхность анода:

При этом могут происходить процессы:

Катод:

2H₂O + 2e⁻ = 2OH⁻ + H₂

Анод:

2H₂O – 4e⁻ = O₂ + 4H⁺

Таким образом, получается, что если мы рассмотрим раствор любого электролита, то мы увидим, что катионы и анионы, образующиеся при диссоциации электролита, конкурируют с молекулами воды за восстановление на катоде и окисление на аноде.

Так какие же процессы будут происходить на катоде и на аноде? Разрядка ионов, образовавшихся при диссоциации электролита или окисление/восстановление молекул воды? Или, возможно, будут происходить все указанные процессы одновременно?

В зависимости от типа электролита при электролизе его водного раствора возможны самые разные ситуации. Например, катионы щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и магния просто не способны восстановиться в водной среде, так как при их восстановлении должны были бы получаться соответственно щелочные, щелочноземельные металлы, алюминий или магний т.е. металлы, реагирующие с водой.

В таком случае является возможным только восстановление молекул воды на катоде.

Запомнить то, какой процесс будет протекать на катоде при электролизе раствора какого-либо электролита можно, следуя следующим принципам:

1) Если электролит состоит из катиона металла, который в свободном состоянии в обычных условиях реагирует с водой, на катоде идет процесс:

2H₂O + 2e⁻ = 2OH⁻ + H₂

Это касается металлов, находящихся в начале ряда активности по Al включительно.

2) Если электролит состоит из катиона металла, который в свободном виде не реагирует с водой, но реагирует с кислотами неокислителями, идут сразу два процесса, как восстановления катионов металла, так и молекул воды:

2H₂O + 2e⁻ = 2OH⁻ + H_{2 ­­­}

Meⁿ⁺ + ne = Me⁰

К таким металлам относятся металлы, находящиеся между Al и Н в ряду активности.

3) Если электролит состоит из катионов водорода (кислота) или катионов металлов, не реагирующих с кислотами неокислителями — восстанавливаются только катионы электролита:

2Н⁺ + 2е⁻ = Н₂ – в случае кислоты

Meⁿ⁺ + ne = Me⁰ – в случае соли

На аноде тем временем ситуация следующая:

1) Если электролит содержит анионы бескислородных кислотных остатков (кроме F⁻), то на аноде идет процесс их окисления, молекулы воды не окисляются. Например:

2Сl⁻ − 2e = Cl₂

S^2- − 2e = S^o

Фторид-ионы не окисляются на аноде поскольку фтор не способен образоваться в водном растворе (реагирует с водой)

2) Если в состав электролита входят гидроксид-ионы (щелочи) они окисляются вместо молекул воды:

4ОН⁻ − 4е⁻ = 2H₂O + O₂

3) В случае того, если электролит содержит кислородсодержащий кислотный остаток (кроме остатков органических кислот) или фторид-ион (F⁻) на аноде идет процесс окисления молекул воды:

2H₂O – 4e⁻ = O₂ + 4H⁺

4) В случае кислотного остатка карбоновой кислоты на аноде идет процесс:

2RCOO⁻ − 2e⁻ = R-R + 2CO₂

Давайте потренируемся записывать уравнения электролиза для различных ситуаций:

Пример №1

Напишите уравнения процессов протекающих  на катоде и аноде при электролизе расплава хлорида цинка, а также общее уравнение электролиза.

Решение

При расплавлении хлорида цинка происходит его диссоциация:

ZnCl₂ = Zn²⁺ + 2Cl⁻

Далее следует обратить внимание на то, что электролизу подвергается именно расплав хлорида цинка, а не водный раствор. Другими словами, без вариантов, на катоде может происходить только восстановление катионов цинка, а на аноде окисление хлорид-ионов т.к. отсутствуют молекулы воды:

Катод: Zn²⁺ + 2e⁻ = Zn⁰ |∙1

Анод: 2Cl⁻ − 2e⁻ = Cl₂ |∙1

ZnCl₂ = Zn + Cl₂

Пример №2

Напишите уравнения процессов протекающих  на катоде и аноде при электролизе водного раствора хлорида цинка, а также общее уравнение электролиза.

Так как в данном случае, электролизу подвергается водный раствор, то в электролизе, теоретически, могут принимать участие молекулы воды. Так как цинк расположен в ряду активности между Al и Н то это значит, что на катоде будет происходить как восстановление катионов цинка, так и молекул воды.

Катод:

2H₂O + 2e⁻ = 2OH⁻ + H_{2 ­­­}

Zn²⁺ + 2e⁻ = Zn⁰

Хлорид-ион является кислотным остатком бескислородной кислоты HCl, поэтому в конкуренции за окисление на аноде хлорид-ионы «выигрывают» у молекул воды:

Анод:

2Cl⁻ − 2e⁻ = Cl₂

В данном конкретном случае нельзя записать суммарное уравнение электролиза, поскольку неизвестно соотношение между выделяющимися на катоде водородом и цинком.

Пример №3

Напишите уравнения процессов протекающих  на катоде и аноде при электролизе водного раствора нитрата меди, а также общее уравнение электролиза.

Нитрат меди в растворе находится в продиссоциированном состоянии:

Cu(NO₃)₂ = Cu²⁺ + 2NO₃⁻

Медь находится в ряду активности правее водорода, то есть на катоде восстанавливаться будут катионы меди:

Катод:

Cu²⁺ + 2e⁻ = Cu⁰

Нитрат-ион NO₃⁻ — кислородсодержащий кислотный остаток, это значит, что в окислении на аноде нитрат ионы «проигрывают» в конкуренции молекулам воды:

Анод:

2H₂O – 4e⁻ = O₂ + 4H⁺

Таким образом:

Катод: Cu²⁺ + 2e⁻ = Cu⁰ |∙2

Анод: 2H₂O – 4e⁻ = O₂ + 4H⁺ |∙1

2Cu²⁺ + 2H₂O = 2Cu⁰ + O₂ + 4H⁺

Полученное в результате сложения уравнение является ионным уравнением электролиза. Чтобы получить полное молекулярное уравнение электролиза нужно добавить по 4 нитрат иона в левую и правую часть полученного ионного уравнения в качестве противоионов. Тогда мы получим:

2Cu(NO₃)₂ + 2H₂O = 2Cu⁰ + O₂ + 4HNO₃

Пример №4

Напишите уравнения процессов, протекающих  на катоде и аноде при электролизе водного раствора ацетата калия, а также общее уравнение электролиза.

Решение:

Ацетат калия в водном растворе диссоциирует на катионы калия и ацетат-ионы:

СН₃СООК = СН₃СОО⁻ + К⁺

Калий является щелочным металлом, т.е. находится в ряду электрохимическом ряду напряжений в самом начале. Это значит, что его катионы не способны разряжаться на катоде. Вместо них восстанавливаться будут молекулы воды:

Катод:

2H₂O + 2e⁻ = 2OH⁻ + H₂

Как уже было сказано выше, кислотные остатки карбоновых кислот «выигрывают» в конкуренции за окисление у молекул воды на аноде:

Анод:

2СН₃СОО⁻ − 2e⁻ = CH₃−CH₃ + 2CO₂

Таким образом, подведя электронный баланс и сложив два уравнения полуреакций на катоде и аноде получаем:

Катод: 2H₂O + 2e⁻ = 2OH⁻ + H₂ |∙1

Анод: 2СН₃СОО⁻ − 2e⁻ = CH₃−CH₃ + 2CO₂ |∙1

2H₂O + 2СН₃СОО⁻ = 2OH⁻ + Н₂+ CH₃−CH₃ + 2CO₂

Мы получили полное уравнение электролиза в ионном виде. Добавив по два иона калия в левую и правую часть уравнения и сложив с противоионами мы получаем полное уравнение электролиза в молекулярном виде:

2H₂O + 2СН₃СООK = 2KOH + Н₂+ CH₃−CH₃ + 2CO₂

Пример №5

Напишите уравнения процессов, протекающих  на катоде и аноде при электролизе водного раствора серной кислоты, а также общее уравнение электролиза.

Серная кислота диссоциирует на катионы водорода и сульфат-ионы:

H₂SO₄ = 2H⁺ + SO₄^2-

На катоде будет происходить восстановление катионов водорода H⁺ , а на аноде окисление молекул воды, поскольку сульфат-ионы являются кислородсодержащими кислотными остатками:

Катод: 2Н⁺ + 2e⁻ = H₂ |∙2

Анод: 2H₂O – 4e⁻ = O₂ + 4H⁺ |∙1

4Н⁺ + 2H₂O = 2H₂ + O₂ + 4H⁺

Сократив ионы водорода в левой и правой и левой части уравнения получим уравнение электролиза водного раствора серной кислоты:

2H₂O = 2H₂ + O₂

Как можно видеть, электролиз водного раствора серной кислоты сводится к электролизу воды.

Пример №6

Напишите уравнения процессов, протекающих  на катоде и аноде при электролизе водного раствора гидроксида натрия, а также общее уравнение электролиза.

Диссоциация гидроксида натрия:

NaOH = Na⁺ + OH⁻

На катоде будут восстанавливаться только молекулы воды, так как натрий – высокоактивный металл, на аноде только гидроксид-ионы:

Катод: 2H₂O + 2e⁻ = 2OH⁻ + H₂ |∙2

Анод: 4OH⁻ − 4e⁻ = O₂ + 2H₂O |∙1

4H₂O + 4OH⁻ = 4OH⁻ + 2H₂ + O₂ + 2H₂O

Сократим две молекулы воды слева и справа и 4 гидроксид-иона и приходим к тому, что, как и в случае серной кислоты электролиз водного раствора гидроксида натрия сводится к электролизу воды:

2H₂O = 2H₂ + O₂

Электролиз – HIMI4KA

Электролизом называют химические реакции, которые протекают под действием электрического тока на электродах в растворах и расплавах электролитов.

Катодом называют отрицательно заряженный электрод. На его поверхности ионы, молекулы или атомы присоединяют электроны, т. е. протекает реакция электрохимического восстановления катионов.

Анодом называют положительно заряженный электрод. На его поверхности происходит отдача электронов, т. е. реакция окисления.

Для установления продуктов электролиза водных растворов солей используют так называемый электрохимический ряд напряжений металлов, а также ряд восстановительной активности анионов.

Электрохимический ряд напряжений металлов:

Ряд восстановительной активности анионов:

Рассмотрим несколько примеров реакций электролиза, протекающих на инертных, т.е. не вступающих в какие-либо химические реакции, электродах.

Прогнозировать происходящие при электролизе водных растворов процессы можно с помощью ряда напряжений металлов и некоторых экспериментально обоснованных закономерностей.

Для катодных процессов существуют следующие закономерности:

1. Катионы металлов, стандартные электродные потенциалы которых выше, чем у водорода, т.е. расположенные в этом ряду правее его (Cu, Hg, Ag, Pt, Au), при электролизе полностью восстанавливаются на катоде в виде металла: Meⁿ⁺ + nе^– → Me⁰.

2. Катионы металлов с малой величиной стандартного электродного потенциала (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, …, до Al³⁺ включительно) при электролизе на катоде не восстанавливаются, а вместо них восстанавливаются молекулы воды: 2H₂O + 2e^– → Н₂ + 2ОН^–.

3. Катионы металлов со стандартными электродными потенциалами меньше, чем у водорода, но больше, чем у алюминия (Mn²⁺, Zn²⁺, Cr³⁺, Fe²⁺, …, до H), при электролизе восстанавливаются на катоде одновременно с молекулами воды, т.е. одновременно идут два процесса:

При электролизе водных растворов кислот и щелочей на катоде всегда выделяется водород.

Для анодных процессов:

1. При электролизе водных растворов щелочей, кислородсодержащих кислот и их солей, в которых атомы неметаллов или металлов находятся в высшей степени окисления (NO₃^–, SO₄^2–, PO₄^3–, ClO₄^–, MnO₄^– и т.п.), а также фторид-ионов F^– на аноде будут окисляться не анионы, а гидроксид-ионы и молекулы воды и выделяться кислород:

2. При электролизе хлоридов, бромидов, йодидов у анода будут разряжаться анионы и выделяться соответствующие галогены:

3. При электролизе анионов, содержащих неметалл в промежуточной степени окисления (SO₃^2–, NO₂^– и др.), они сами окисляются на аноде:

Усвоение учебного материала по данной теме на ЕГЭ проводят с помощью заданий повышенного уровня сложности.

Пример 1. Установите соответствие между формулой вещества и продуктами, которые могут образовываться на катоде в результате электролиза его водного раствора.

Нитрат меди (II). Медь в электрохимическом ряду напряжений металлов стоит после водорода. Следовательно, при электролизе она выделится на катоде в виде металла: Cu²⁺ + 2е^– → Cu⁰. На аноде при этом будет происходить окисление молекул воды и выделяться кислород: 2H₂O – 4e^– → О₂ + 4Н⁺. Уравниваем процессы окисления и восстановления:

Окончательно получаем:

Нитрат серебра. Серебро в электрохимическом ряду напряжений металлов стоит после водорода. Следовательно, при электролизе оно выделится на катоде в виде металла: Ag⁺ + 1е^– → Ag⁰. На аноде при этом будет происходить окисление молекул воды и выделяться кислород: 2H₂O – 4e^– → О₂ + 4Н⁺. Уравниваем процессы окисления и восстановления:

Окончательно получаем:

Хлорид железа (II), FeCl₂. Железо в ряду напряжений стоит после алюминия и до водорода. При электролизе на катоде восстанавливаются и металл, и молекулы воды, т. е. одновременно идут два процесса: Fe²⁺ + 2е^– → Fe⁰; 2H₂O + 2e^– → Н₂ + 2ОН^–. На аноде будет выделяться хлор: 2Cl^– – 2e^– → Cl₂⁰.

Уравниваем процессы окисления и восстановления:

Окончательно получаем:

Сульфат калия. Катион калия в ряду напряжений металлов стоит до алюминия. Поэтому катион калия при электролизе на катоде не восстанавливается, а вместо него восстанавливаются молекулы воды: 2H₂O + 2e^– → Н₂ + 2ОН^–. На аноде будут окисляться молекулы воды: 2H₂O – 4e^– → О₂ + 4Н⁺.

Уравниваем процессы окисления и восстановления:

После сокращения получаем:

Ответ: А – 1; Б – 5; В – 6; Г – 2.

Электролиз — реакции окисления-восстановления

Электролизом — окислительно-восстановительные реакции, проходящие на электродах при пропускании постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита. На отрицательном электроде (катоде) происходит процесс восстановления, на положительном (аноде) — процесс окисления.

1. Электролиз расплава соли (на примере КСl).

При расплавлении электролит диссоциирует на ионы:
NaCl → Na⁺ + Cl^–
На катоде происходит восстановление ионов Na⁺:

На аноде — окисление ионов Cl^–:

Уравниваем число электронов:


Суммарный процесс:

2. Электролиз водных растворов

В растворах электролитов помимо ионов, образуемых электролитами, имеются ионы, образующиеся в результате диссоциации воды: H₂O ↔ H⁺ + OH^–
которые также могут принимать участие в электролизе.
Легкость восстановления катионов на катоде соответствует ряду активности металлов. Чем правее в этом ряду находится металл, тем легче идет его восстановление. Если металл находится левее водорода в ряду активности, то происходит также восстановление ионов водорода из воды, если же металл находится левее алюминия, то он в водном растворе восстановлен быть не может — идет только восстановление воды.
На аноде происходит окисление анионов. По уменьшению легкости их окисления они располагаются в следующий ряд: I^–, Вг^–, S^2–, Сl^–, ОН^–, анионы кислородосодержащих кислот. Поэтому в водных растворах в первую очередь происходит окисление ионов галогенов или серы, а если их нет, то про-исходит окисление ионов гидроксила из воды до кислорода:

или

Примеры электролиза водных растворов:

1). NaCl:
NaCl ↔ Na⁺ + Cl^–;
H₂O ↔ H⁺ + OH^–
Катод:
Анод:
Суммарный процесс: 

2). CuCl₂:
CuCl₂ ↔ Cu²⁺ + 2Cl^–;
H₂O ↔ H⁺ + OH^–
Катод:
Анод:
Суммарный процесс:

3). CuSO₄:
CuSO₄ ↔ Cu²⁺ + SO₄^2–;
H₂O ↔ H⁺ + OH^–
Катод:
Анод:
Суммарный процесс: 

4). NiSO₄:
NiSO₄ ↔ Ni²⁺ + SO₄^2–;
H₂O ↔ H⁺ + OH^–
Катод:a)
б) 
эти два процесса идут одновременно и независимо друг от друга. Соотношение между ними зависит от соотношения концентраций ионов никеля и ионов водорода, а также от напряжения и силы тока. Объясняется это тем, что никель – металл средней активности, его электродный потенциал имеет незначительное отрицательное значение (-0,25 В), как и потенциал водородного электрода (-0,41 В). Поэтому продуктами электролиза будут металлический никель и газообразный водород. При электролизе раствора сульфата никеля протекают процессы восстановления ионов Ni²⁺ и молекул H₂O. Сначала преимущественно идет процесс восстановления ионов никеля, но затем концентрация ионов никеля в растворе уменьшается, а концентрация ионов водорода увеличивается и усиливается интенсивность процесса восстановления воды.

Суммарный процесс:

5). NaOH, KOH, H₄SO₄, NaSO₄, K₂SO₄ — в этих случаях идет только электролиз воды:

Катод:
Анод:
Суммарный процесс:
При этом на электродах будут выделяться газы, на катоде водород, а на аноде — кислород.

 

Электролиз солей

Самопроизвольные окислительно-восстановительные реакции дают возможность создания гальванических элементов, в которых вырабатывается электрическая энергия. Если же реакция несамопроизвольна, то ее осуществление возможно при помощи электрической энергии. Подобные процессы осуществляют в электролизерах и называются они реакциями электролиза.

Как видно на рисунке ниже, электролизер состоит из двух электродов, погруженных в расплав соли или ее водный раствор. Источник электрического тока передает электроны в один из электродов и удаляет их с другого. При отдаче электронов электрод заряжается положительно, а при получении электронов – отрицательно.

Электролизер

При электролизе расплава NaCl на отрицательном электроде, происходит присоединение электронов ионом натрия Na⁺ и его восстановление. При этом вблизи электрода концентрация ионов Na⁺ уменьшается и, вследствие этого, к электроду перемещается дополнительное количество ионов Na⁺. Аналогично происходит миграция ионов Cl^— к положительному электроду, где в результате отдачи электронов протекает процесс окисления. Таким образом, на электродах идет накопление продуктов окисления и восстановления.

Как и в гальваническом элементе, процесс восстановления протекает на катоде, а процесс окисления – на аноде.

При электролизе расплава NaCl протекают следующие реакции:

Анод	2Cl— -2e— → Cl20
Катод	2Na+ + 2e— → 2Na0
	2Na+ + 2Cl— → 2Na0 + Cl20

 

В промышленности таким образом получают натрий, используя электролизер Даунса, представленный на рисунке ниже.

электролизер Даунса

 

Сложнее протекает электролиз водных растворов электролитов.

Так, например, при электролизе водного раствора хлорида натрия, происходят иные процессы, нежели при электролизе его расплава. На катоде происходит восстановление воды, а не натрия; на аноде происходит окисление хлорид-ионов:

Анод	2Cl— -2e— → Cl20
Катод	2H2O + 2e— → H20 +2OH—
	2H2O + 2Cl— → H20 + Cl20

 

Таким образом, получить натрий путем электролиза водного раствора его соли не удастся: на катоде выделяется водород, а на аноде хлор.

 

При электролизе водных растворов солей окислительно-восстановительные процессы, протекающие на катоде и аноде зависят от природы катионов металлов и характера аниона соли.

Процесс на катоде

Предсказать результат восстановительного процесса на катоде можно с помощью таблицы стандартных электродных потенциалов металлов:

• Катионы металлов, имеющие большую величину стандартного потенциала и расположенные в ряду после водорода полностью восстанавливаются на катоде и выделяются в виде металлов: Cu²⁺, Hg₂²⁺, Ag⁺, Hg²⁺, Pt²⁺ до Pt⁴⁺
• Катионы металлов, имеющие малую величину стандартного потенциала не восстанавливаются на катоде, вместо этого происходит восстановление воды: от Li⁺, Na⁺ … до Al³⁺ включительно.
• Катионы металлов, имеющие среднюю величину стандартного потенциала будут восстанавливаться на катоде вместе с молекулами воды: от Mn²⁺, Zn²⁺ … до H

Если имеется смесь катионов, то легче всего на катоде будут восстанавливаться катионы металла с наиболее положительным потенциалом, например, из смеси Cu²⁺, Ag⁺, Zn²⁺ сначала восстановится Ag⁺ (E = +0,79 В), затем Cu²⁺ (E = +0,337 В) и только потом Zn²⁺ (E = +0,76 В).

 

Процесс на аноде

Какие процессы будут протекать на аноде зависит от материала анода и самого электролита. Нерастворимые аноды в процессе электролиза не окисляются, тогда как растворимые аноды разрушаются и в виде ионов переходят в раствор.

Рассмотрим процессы, происходящие на инертном (нерастворимом) аноде:

• При электролизе бескислородных кислот и их солей (исключение HF и фториды) на аноде окисляются их анионы.

2Cl^— -2e^— = Cl₂

• При электролизе кислородсодержащих кислот и их солей c максимальной степенью окисления на аноде происходит окисление воды, в связи с тем, что потенциал окисления воды меньше, чем для таких анионов.

2H₂O -4e^— = O₂ + 4H⁺

• При электролизе кислородсодержащих кислот и их солей c промежуточной степенью окисления на аноде происходит окисление анионов кислот

SO₃^2- + H₂O -2e^— = SO₄^2- + 2H⁺

Ниже представлены наиболее типичные случаи электролиза с химической точки зрения

Водный раствор соли малоактивного металла и бескислородной кислоты с инертным анодом	CuBr2 + H2O = Cu + Br2 + H2O K: Cu2+ + 2e— = Cu A: 2Br— -2e— = Br2
Водный раствор соли активного металла и кислородсодержащей кислоты с инертным анодом	K2SO4 + 2H2O = K2SO4 + 2H2 + O2 K: 2H2O +2e— = H2 + 2OH— A: 2H2O -4e— = O2 + 4H+ Т.е. происходит разложение воды
Водный раствор соли активного металла и бескислородной кислоты с инертным анодом	KI + H2O = 2KOH + H2 + I2 K: 2H2O +2e— = H2 + 2OH— A: 2I— -2e— = I2
Водный раствор соли малоактивного металла с анодом из того же металла	CuSO4 K: Cu2+ + 2e— = Cu A: Cu — 2e— = Cu2+

Количественные аспекты электролиза

Связь между количеством вещества, выделившегося при электролизе и количеством прошедшего через него электричества отражена в законах Фарадея.

I закон Фарадея Массы веществ (m), выделившихся на катоде или аноде (или образовавшиеся в катодном и анодном пространстве), пропорциональны количеству прошедшего через раствор или расплав электричества (Q):

m=kQ

где k – коэффициент пропорциональности или электрохимический эквивалент, численно равный массе вещества, которое выделяется при прохождении 1 кулона электричества.

 

II закон Фарадея Равные количества электричества в процессе электролиза выделяют эквивалентные количества различных веществ. Т.е. чтобы выделился один химический эквивалент любого соединения необходимо приложить одинаковое количество электричества, которое равно 96484,56 Кл/моль. Это величина называется постоянной Фарадея.

m = ЭIt/F = ЭIt/96484,56, где

m – масса вещества,

Э – электрохимический эквивалент,

I – сила тока,

t – время электролиза.

Законы Фарадея имеют большое значение при проведении расчетов, связанных с электролизом.

Химические процессы: гидролиз и электролиз

Важнейшими темами в химии стоит назвать гидролиз и электролиз. Отличны эти реакции тем, что в своем действии основаны на разных химических и физических явлениях. А вот схожи в том, что в их процессе принимают участие положительные и отрицательные ионы.

Химия, безусловно, одна из самых сложных многовекторных наук. Знание ее принципов — основа разумного существования человечества. В школах и институтах мы учим не только понятие — химический элемент, но и метаморфозы, происходящие с ними, а также значение и применение этих навыков в жизни. Разберемся вместе с некоторыми правилами.

К слову, для лучшего восприятия информации, с помощью видео в Интернет-уроках по заданным темам, опытные преподаватели смогут доступно объяснить эти или другие теории по курсу химии, а также по другим предметам школьной и университетской программы.

Суть понятия гидролиз

Собственно гидролиз — в переводе с древнегреческого: гидро — вода, лизис — разложение. То есть, это ход обменной реакции, в результате которой, например, ионы соли взаимодействуют с водой. Результатом данного химического процесса является образование новых малорастворимых соединений. В итоге проявляется кислая или щелочная среды раствора без выпадения осадка и проявления газа.

Нужно отметить, что механизм гидролиза с различными соединениями таких классов, как белки, жиры, сложные эфиры и углеводы, имеет свои особенности. Вот гидролиз сложных эфиров в условиях присутствия неорганической кислоты — это обратимые реакции, а в щелочной среде — необратимые. На примере солей мы сможем определить суть данного механизма действия.

Ход реакции

• Первый шаг — это диссоциация — процесс распада электролита на ионы при растворении в воде. Для солей такое разделение веществ на молекулярные элементы в растворе является необратимым, то есть протекающее исключительно в одном направлении.
• Второй шаг — это непосредственно гидролиз — обратимая реакция, то есть та, которая происходит одновременно в противоположных направлениях.

Необходимые условия осуществления

1. Обязательное присутствие воды.
2. Наличие ионов кислоты или основания: катиона — положительно заряженного и аниона — отрицательно.

Исходя из этого, различают три вида гидролиза солей, в состав которых может входить любой химический элемент.

• С водой вступают в реакцию только катионы.
• Соответственно лишь анионы.
• Совместный — и те и другие ионы.

В результате химическая реакция происходит в следующем порядке.

Если соль образована слабой кислотой и сильным основанием — среда получится щелочной. Если же наоборот — кислой. При условии присутствия в соли сильного основания и такой же кислоты — нейтральной. Таким примером соли является вещество, содержащее химический элемент бром, а именно — KBr, или бромид калия.

Интересный факт, что именно гидролиз сложного эфира высшей жирной кислоты в щелочной среде, проведенный французом — химиком — Мишелем Эженом Шеврелем в 1808 году, дал возможность получения глицерина и мыла, благодаря чему такой процесс называют омылением. Занимался ученый данными опытами по просьбе владельцев текстильных предприятий.

Определение электролиза

Электролиз — это окислительно-восстановительная реакция, протекающая при воздействии электрического тока на электродах, которые погружены в раствор или расплав электролитов.

Существует катод — это отрицательно заряженный электрод, на котором происходит восстановление частиц, таких как атомы, молекулы, катионы. А вот на аноде, положительно заряженном электроде, совершается их электрохимическое окисление. Прибор, в котором осуществляется весь этот процесс, называется электролизером. Здесь мы раскрыли лишь понятие электролиз.

Его разновидности, ход реакций, бытовые примеры и многое другое по этой тематике вы найдете на сайте Interneturok.ru. Не пугайтесь сложности химии, ведь многое талантливыми педагогами объясняется просто.