Электролиз схема 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: SO₄^2-, 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,
NaF, FeI₂, 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 (обычно в продуктах оставляют именно запись «NaOH», не подвергая его дальнейшему электролизу)

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

Тренировочные тесты в формате ЕГЭ по теме «Электролиз» (задание 20 ЕГЭ по химии) ( с ответами)

Электролиз

  Химические реакции, сопровождающиеся переносом электронов (окислительно-восстановительные реакции) делятся на два типа: реакции, протекающие самопроизвольно и реакции, протекающие при прохождении тока через раствор или расплав электролита.

  Раствор или расплав электролита помещают в специальную емкость — электролитическую ванну.

  Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц — ионов, электронов и др. под действием внешнего электрического поля. Электрическое поле в растворе или расплаве электролита создают электроды.

  Электроды — это, как правило, стержни из материала, проводящего электрический ток. Их помещают в раствор или расплав электролита, и подключают к электрической цепи с источником питания.

  При этом отрицательно заряженный электрод катод — притягивает положительно заряженные ионы — катионы. Положительно заряженный электрод (анод) притягивает отрицательно заряженные частицы (анионы). Катод выступает в качестве восстановителя, а анод — в качестве окислителя.

Различают электролиз с активными и инертными электродами. Активные (растворимые) электроды подвергаются химическим превращениям в процессе электролиза. Обычно их изготавливают из меди, никеля и других металлов. Инертные (нерастворимые) электроды химическим превращениям не подвергаются. Их изготавливают из неактивных металлов, например, платины, или графита.

Электролиз растворов

   Различают электролиз раствора или расплава химического вещества. В растворе присутствует дополнительное химическое вещество — вода, которая может принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях.

Катодные процессы

  В растворе солей катод притягивает катионы металлов. Катионы металлов могут выступать в качестве окислителей. Окислительные способности ионов металлов различаются. Для оценки окислительно-восстановительных способностей металлов применяют электро-химический ряд напряжений:

     Каждый металл характеризуется значением электрохимического потен-циала. Чем меньше потенциал, тем больше восстановительные свойства металла и тем меньше окислительные свойства соответствующего иона этого металла. Разным ионам соответствуют разные значения этого потенциала. Электрохимический потенциал — относительная величина. Электрохимический потенциал водорода принят равным нулю.

   Также около катода находятся молекулы воды Н₂О. В составе воды есть окислитель — ион H⁺. 

При электролизе растворов солей на катоде наблюдаются следующие закономерности:

1. Если металл в соли — активный (до Al³⁺ включительно в ряду напряжений), то вместо металла на катоде восстанавливается (разряжается) водород, т.к. потенциал водорода намного больше. Протекает процесс восстановления молекулярного водорода из воды, при этом образуются ионы OH^—, среда возле катода — щелочная:

2H₂O +2ē → H₂ + 2OH^—

Например, при электролизе раствора хлорида натрия на катоде будет вос-станавливаться только водород из воды.

2. Если металл в соли –  средней активности (между Al³⁺ и Н⁺), то на катоде восстанавливается (разряжается) и металл, и водород, так как потенциал таких металлов сравним с потенциалом водорода:

Meⁿ⁺ + nē → Me⁰

2H⁺₂O +2ē → H₂⁰ + 2OH^—

Например, при электролизе раствора сульфата железа (II) на катоде будет восстанавливаться (разряжаться) и железо, и водород:

Fe²⁺ + 2ē → Fe⁰

2H⁺₂O +2ē → H₂⁰ + 2OH^—

3. Если металл в соли — неактивный (после водорода в ряду стандартных электрохимических металлов), то ион такого металла является более сильным окислителем, чем ион водорода, и на катоде восстанавливается только металл:

Meⁿ⁺ + nē → Me⁰

Например, при электролизе раствора сульфата меди (II) на катоде будет восстанавливаться медь:

Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰

4. Если на катод попадают катионы водорода H⁺, то они и восстанавливаются до молекулярного водорода:

2H⁺ + 2ē → H₂⁰

Анодные процессы

Положительно заряженный анод притягивает анионы и молекулы воды. Анод – окислитель. В качестве восстановителей выступаю либо анионы кислотных остаток, либо молекулы воды (за счет кислорода в степени окисления -2: H₂O^-2).

При электролизе растворов солей на аноде наблюдаются следующие закономерности:

1. Если на анод попадает бескислородный кислотный остаток, то он окисляется до свободного состояния (до степени окисления  0):

неМе^n- – nē = неМе⁰

Например: при электролизе раствора хлорида натрия на аноде окисляют-ся хлорид-ионы:

2Cl^— – 2ē = Cl₂⁰

Действительно, если вспомнить Периодический закон: при увеличении электроотрицательности неметалла его восстановительные свойства уменьшаются. А кислород – второй по величине электроотрицательности элемент. Таким образом, проще окислить практически любой неметалл, а не кислород. Правда, есть одно исключение. Наверное, вы уже догадались. Конечно же, это фтор. Ведь электроотрицательность фтора больше, чем у кислорода. Таким образом, при электролизе растворов фторидов окисляться будут именно молекулы воды, а не фторид-ионы:

2H₂O^-2 – 4ē → O₂⁰+ 4H⁺

2. Если на анод попадает кислородсодержащий кислотный остаток, либо фторид-ион, то окислению подвергается вода с выделением молекулярно-го кислорода:

2H₂O^-2 – 4ē → O₂⁰ + 4H⁺

3. Если на анод попадает гидроксид-ион, то он окисляется и происходит выделение молекулярного кислорода:

 4O^-2H^– – 4ē → O₂⁰ + 2H₂O

4. При электролизе растворов солей карбоновых кислот окислению под-вергается атом углерода карбоксильной группы, выделяется углекислый газ и соответствующий алкан. 

Например, при электролизе растворов ацетатов выделяется углекислый газ и этан:

2CH₃C⁺³OO^– –2ē → 2C⁺⁴O₂+ CH₃-CH₃

Суммарные процессы электролиза

Рассмотрим электролиз растворов различных солей.

Например, электролиз раствора сульфата меди. На катоде восстанавливаются ионы меди:

Катод (–): Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰

На аноде окисляются молекулы воды:

Анод (+): 2H₂O^-2 – 4ē → O₂ + 4H⁺

Сульфат-ионы в процессе не участвуют. Мы их запишем в итоговом уравнении с ионами водорода в виде серной кислоты:

2Cu²⁺SO₄ + 2H₂O^-2 → 2Cu⁰ + 2H₂SO₄ + O₂⁰

Электролиз раствора хлорида натрия выглядит так:

На катоде восстанавливается водород:

Катод (–): 2H⁺₂O +2ē → H₂⁰ + 2OH^–

На аноде окисляются хлорид-ионы:

Анод (+): 2Cl^– – 2ē → Cl₂⁰

Ионы натрия в процессе электролиза не участвуют. Мы записываем их с гидроксид-анионами в суммарном уравнении электролиза раствора хлорида натрия:

2H⁺₂O +2NaCl^– → H₂⁰ + 2NaOH + Cl₂⁰

Следующий пример: электролиз водного раствора карбоната калия.

На катоде восстанавливается водород из воды:

Катод (–): 2H⁺₂O +2ē → H₂⁰ + 2OH^–

На аноде окисляются молекулы воды до молекулярного кислорода:

Анод (+): 2H₂O^-2 – 4ē → O₂⁰ + 4H⁺

Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия ионы калия и карбонат-ионы в процессе не участвуют. Происходит электролиз воды:

2H₂⁺O^-2 →  2H₂⁰ + O₂⁰ 

Еще один пример: электролиз водного раствора хлорида меди (II).

На катоде восстанавливается медь:

Катод (–): Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰

На аноде окисляются хлорид-ионы до молекулярного хлора:

Анод (+): 2Cl^– – 2ē → Cl₂⁰

Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия происходит электролиз воды:

Cu²⁺Cl₂^– → Cu⁰ + Cl₂⁰

Еще несколько примеров: электролиз раствора гидроксида натрия.

На катоде восстанавливается водород из воды:

Катод (–): 2H⁺₂O +2ē → H₂⁰ + 2OH^–

На аноде окисляются гидроксид-ионы до молекулярного кислорода:

Анод (+): 4O^-2H^– – 4ē → O₂⁰ + 2H₂O

Таким образом, при электролизе раствора гидроксида натрия происходит разложение воды, катионы натрия в процессе не участвуют:

2H₂⁺O^-2 →  2H₂⁰ + O₂⁰ 

Электролиз расплавов

  При электролизе расплава на аноде окисляются анионы кислотных остатков, а на катоде восстанавливаются катионы металлов. Молекул воды в системе нет.

Например: электролиз расплава хлорида натрия. На катоде восстанавливаются катионы натрия:

Катод (–): Na⁺ + ē → Na⁰

На аноде окисляются анионы хлора:

Анод (+): 2Cl^– – 2ē → Cl₂⁰

Суммарное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:

2Na⁺Cl^– →  2Na⁰ + Cl₂⁰ 

Еще один пример: электролиз расплава гидроксида натрия. На катоде восстанавливаются катионы натрия:

Катод (–): Na⁺ + ē → Na⁰

На аноде окисляются гидроксид-ионы:

Анод (+): 4OH^– – 4ē → O₂⁰ + 2H₂O

Суммарное уравнение электролиза расплава гидроксида натрия:

4Na⁺OH^– →  4Na⁰ + O₂⁰ + 2H₂O 

Многие металлы получают в промышленности электролизом расплавов.

Например, алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия в расплаве криолита. Криолит – Na₃[AlF₆] плавится при более низкой температуре (1100^оС), чем оксид алюминия (2050^оС). А оксид алюминия отлично растворяется в расплавленном криолите.

В растворе криолите оксид алюминия диссоциирует на ионы:

Al₂O₃ = Al³⁺ + AlO₃^3-

На катоде восстанавливаются катионы алюминия:

Катод (–): Al³⁺ + 3ē → Al⁰

На аноде окисляются алюминат-ионы:

Анод (+): 4AlO₃^3– – 12ē → 2Al₂O₃ + 3O₂⁰ 

 Общее уравнение электролиза раствора оксида алюминия в расплаве криолита:

2Al₂О₃ = 4Al⁰ + 3О₂⁰

В промышленности при электролизе оксида алюминия в качестве электродов используют графитовые стержни. При этом электроды частично окисляются (сгорают) в выделяющемся кислороде:

C⁰ + О₂⁰ = C⁺⁴O₂^-2 

Электролиз с растворимыми электродами

Если материал электродов выполнен из того же металла, который присутствует в растворе в виде соли, или из более активного металла, то на аноде разряжаются не молекулы воды или анионы, а окисляются частицы самого металла в составе электрода.

Например, рассмотрим электролиз раствора сульфата меди (II) с медными электродами.

На катоде разряжаются ионы меди из раствора:

Катод (–): Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰

На аноде окисляются частицы меди из электрода:

Анод (+): Cu⁰ – 2ē → Cu²⁺

Тренировочные тесты в формате ЕГЭ по теме «Электролиз» (задание 20 ЕГЭ по химии) ( с ответами)

Электролиз — это окислительно-восстановительная реакция, которая протекает на электродах и основана на пропускании электрического тока через раствор или расплав.

Не менее важными участниками электролиза являются электроды: катод и анод. Если вы вдруг забыли, что такое катод и анод в химии, напомним.

Катод — это отрицательно заряженный электрод, который притягивает положительно заряженные ионы (катионы). А анод — это положительно заряженный электрод, который притягивает к себе отрицательно заряженные ионы (анионы). Таким образом, на катоде всегда происходит процесс восстановления, а на аноде всегда происходит процесс окисления.

Электроды бывают растворимые и инертные. Растворимые изготавливаются из металлов, например, меди и подвергаются химическим превращениям в ходе электролиза. А вот инертные или нерастворимые электроды не подвергаются химическим превращениям и остаются в неизменном виде как до реакции, так и после нее. Как правило, такие электроды изготавливают из графита или платины.

Виды электролиза

Различают два вида электролиза:

1. Электролиз расплава.

2. Электролиз водного раствора.

Прежде чем мы рассмотрим каждый процесс отдельно, давай познакомимся с общими для двух видов процессами на электродах.

Электролиз расплава

Рассмотрим электролиз расплава пищевой соли — хлорида натрия. При сильном нагревании кристаллический твердый хлорид натрия плавится. Полученный расплав содержит подвижные ионы хлора и натрия, освободившиеся из кристаллической решетки, и проводит электрический ток.

К⁻: 2Na⁺ + 2e⁻ = 2Na⁰

А⁺: 2Cl⁻ − 2e⁻ = Cl₂

Суммарное уравнение электролиза:

При опускании в расплав угольных (инертных) электродов, присоединенных к источнику тока, ионы приобретают направленное движение: катионы движутся к отрицательно заряженному электроду (катоду), анионы — к положительно заряженному электроду (аноду) и отдают электроны.

Теперь давайте рассмотрим электролиз расплава гидроксида калия.

На катоде происходит восстановление калия за счет принятия электронов. А на аноде протекает более сложная реакция. Гидроксогруппы отдают свой электрон и становятся нейтральными, но такое состояние для них крайне невыгодно, так как неустойчиво, и они объединяются в группы, чтобы потом разложиться с выделением газообразного кислорода и воды

Итог электролиза расплава — металлический калий на катоде, газообразный кислород и пары воды на аноде.

Электролиз раствора

Основным отличием водного раствора от расплава является присутствие молекул воды и ионов H⁺ и OH^— как продуктов диссоциации воды. В связи с этим возле катода и анода скапливаются ионы, которые конкурируют как друг с другом, так и с молекулами воды. Рассмотрим электролиз на примере водного раствора KF:

К⁻: 4H₂O + 4e⁻ = 2H₂⁰ + 4OH⁻

А⁺: 2H₂O − 4e⁻ = O₂ + 4H⁺

Суммарное уравнение электролиза:

Как видно, ни калий, ни фтор не фигурируют в продуктах электролиза. Почему так происходит?

Наиболее активные металлы — сильные восстановители. Калий — как раз такой металл, поэтому обратный процесс восстановления активных металлов из соединений осуществить сложно. При электролизе водных растворов солей активных металлов на катоде протекает восстановление не катионов этих металлов, а воды с образованием водорода.

Разберем порядок восстановления катионов металлов на катоде в зависимости от их активности.

Последовательность разрядки катионов зависит от положения металла в электрохимическом ряду напряжения.

1. Если у катода накапливаются молекулы воды и катионы металла, который находится в ряду напряжения после водорода, то восстанавливаются ионы металла.

2. Если у катода накапливаются молекулы воды и катионы металла, который стоит в начале ряда напряжения от лития до алюминия включительно, то восстанавливаются ионы водорода из молекул воды. Катионы металла не восстанавливаются, остаются в растворе.

3. Если у катода накапливаются молекулы воды и катионы металла, который расположен в ряду напряжения между алюминием и водородом, то восстанавливаются и ионы металла, и частично ионы водорода из молекул воды.

4. Если в растворе находится смесь катионов разных металлов, то сначала восстанавливаются катионы менее активного металла.

5. При электролизе раствора кислоты на катоде восстанавливаются катионы водорода до газообразного водорода.

Для удобства мы собрали информацию об электролизе в таблице:

Теперь разберемся, что происходит с анионами в водных растворах при электролизе. Для начала познакомимся с последовательностью восстановления анионов на аноде:

Чем меньше выражена восстановительная активность, тем хуже анионы могут окисляться на аноде. К тому же процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аниона.

Если анод инертный или нерастворимый, то на нем протекают следующие реакции:

1. При электролизе растворов солей бескислородных кислот (кроме фторидов!), на аноде происходит процесс окисления аниона.

2. При электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот и фторидов на аноде выделяется газообразный кислород вследствие окисления молекул воды. Анион при этом не окисляется, оставаясь в растворе.

3. При электролизе растворов щелочей происходит окисление гидроксид-ионов.

Если анод растворимый, то на нем всегда происходит окисление металла анода — независимо от природы аниона.

Исключением является электролиз солей карбоновых кислот. Таблица выше не описывает происходящее на аноде. Давайте рассмотрим, что же там происходит.

В результате электролиза водных растворов солей щелочных металлов карбоновых кислот происходит образование углеводородов вследствие рекомбинации углеводородных радикалов.

В общем виде электролиз солей карбоновых кислот можно записать так:

На катоде образуется газообразный водород, а на аноде — углекислый газ, углеводород, полученный удвоением радикала. В катодном пространстве накапливается щелочь.

В случае разделения катодного и анодного пространства углекислый газ реагирует со щелочью с образованием гидрокарбоната.

Применение электролиза

А теперь самое главное: зачем вообще нужен электролиз? Рассмотрим применение этого вида ОВР:

1. С помощью электролиза расплавов природных соединений в металлургической промышленности получают активные металлы (калий, натрий, бериллий, кальций, барий). С помощью электролиза растворов солей — цинк, кадмий, кобальт и другие.

2. В химической промышленности электролиз используют для получения фтора, хлора, водорода, кислорода, щелочей, бертолетовой соли и других веществ.

3. Электролиз с растворимым анодом используют для нанесения металлических покрытий (из хрома, золота, никеля, серебра), что предохраняет металлические изделия от коррозии и придает им декоративный вид.

Вопросы для самопроверки

1. Выберите верное продолжение фразы «катод — это…»:

1. Положительно заряженный электрод, к которому притягиваются положительно заряженные ионы.

2. Положительно заряженный электрод, к которому притягиваются отрицательно заряженные ионы.

3. Отрицательно заряженный электрод, к которому притягиваются положительно заряженные ионы.

4. Отрицательно заряженный электрод, к которому притягиваются отрицательно заряженные ионы.

2. Продолжите фразу «электролиз — это…»:

1. ОВР с применением тока.

2. Реакция без изменения степеней окисления с применением тока.

3. ОВР с применением катализаторов.

4. Обменная реакция.

3. Как заряжен анион?

1. Положительно.

2. Отрицательно.

3. Нейтрально.

4. Не имеет заряда.

4. Чем отличается электролиз раствора от электролиза расплава?

1. Ничем.

2. В расплаве плавится твердое.

3. Присутствием молекул воды и продуктов ее диссоциации.

5. Если металл стоит в ряду активности металлов между алюминием и водородом, что выделится на катоде?

1. Этот металл.

2. Водород.

3. Металл и водород.

4. Оксид металла.

При электролиза водного раствора фторида лития что на аноде выделится?

1. Фтор.

2. Водород.

3. Кислород.

4. Вода.

Ответы

1. c

2. a

3. b

4. c

5. c

6. с

Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей)

Если в раствор или расплав электролита опустить электроды и пропустить постоянный электрический ток, то ионы будут двигаться направленно: катионы к катоду (отрицательно заряженному электроду), анионы к аноду (положительно заряженному электроду).

На катоде катионы принимают электроны и восстанавливаются, на аноде анионы отдают электроны и окисляются. Этот процесс называют электролизом.

Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении электрического тока через расплав или раствор электролита.

Электролиз расплавленных солей

Рассмотрим процесс электролиза расплава хлорида натрия. В расплаве идет процесс термической диссоциации:

$NaCl→Na^{+}+Cl^{-}.$

Под действием электрического тока катионы $Na^{+}$ движутся к катоду и принимают от него электроны:

$Na^{+}+ē→{Na}↖{0}$ (восстановление).

Анионы $Cl^{-}$ движутся к аноду и отдают электроны:

$2Cl^{-}-2ē→{Cl_2}↖{0}↑$ (окисление).

Суммарное уравнение процессов:

$Na^{+}+ē→{Na}↖{0}|2$

$2Cl^{-}-2ē→{Cl_2}↖{0}↑|1$

$2Na^{+}+2Cl^{-}=2{Na}↖{0}+{Cl_2}↖{0}↑$

или

$2NaCl{→}↖{text»электролиз»}2Na+Cl_2↑$

На катоде образуется металлический натрий, на аноде — газообразный хлор.

Главное, что вы должны помнить: в процессе электролиза за счет электрической энергии осуществляется химическая реакция, которая самопроизвольно идти не может.

Электролиз водных растворов электролитов

Более сложный случай — электролиз растворов электролитов.

В растворе соли, кроме ионов металла и кислотного остатка, присутствуют молекулы воды. Поэтому при рассмотрении процессов на электродах необходимо учитывать их участие в электролизе.

Для определения продуктов электролиза водных растворов электролитов существуют следующие правила:

1. Процесс на катоде зависит не от материала, из которого сделан катод, а от положения металла (катиона электролита) в электрохимическом ряду напряжений, при этом если:

1.1. Катион электролита расположен в ряду напряжений в начале ряда по $Al$ включительно, то на катоде идет процесс восстановления воды (выделяется водород $Н_2↑$). Катионы металла не восстанавливаются, они остаются в растворе.

1.2. Катион электролита находится в ряду напряжений между алюминием и водородом, то на катоде восстанавливаются одновременно и ионы металла, и молекулы воды.

1.3. Катион электролита находится в ряду напряжений после водорода, то на катоде восстанавливаются катионы металла.

1.4. В растворе содержатся катионы разных металлов, то сначала восстанавливается катион металла, стоящий в ряду напряжений правее.

Катодные процессы

$Li K Ca Na Mg Al$ $Li^{+} K^{+} Ca^{2+} Na^{+} Mg^{2+} Al^{3+}$	$Mn Zn Fe Ni Sn Pb$ $Mn^{2+} Zn^{2+} Fe^{2+} Ni^{2+} Sn^{2+} Pb^{2+}$	$H_2$ $2H^{+}$	$Cu Hg Ag Pt Au$ $Cu^{2+} Hg_2^{2+} Ag^{+} Pt^{2+} Au^{3+}$
Восстанавливается вода: $2H_2O+2ē=H_2↑+2OH^{−};$ $M^{n+}$ не восстанавливается	Восстанавливаются катионы металла и вода: $M^{n+}+nē=M^0$ $2H_2O+2ē=H_2↑+2OH^{−}$		Восстанавливаются катионы металла: $M^{n+}+nē=M^0$
$nē→$ Усиление окислительных свойств катионов (способности принимать электроны)

2. Процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аниона.

Анодные процессы

Кислотный остаток $Ас^{m–}$	Анод
Растворимый	Нерастворимый
Бескислородный	Окисление металла анода $M^{−}−nē=M^{n+}$ анод раствор	Окисление аниона (кроме $F^{–}$) $Ac^{m−}−mē=Ac^0$
Кислородсодержащий	В кислотной и нейтральной средах: $2H_2O−4ē=O_2↑+4H^{+}$ В щелочной среде: $4OH^{−}−4ē=O_2↑+4H^{+}$

2.1. Если анод растворяется (железо, цинк, медь, серебро и все металлы, которые окисляются в процессе электролиза), то окисляется металл анода, несмотря на природу аниона.

2.2. Если анод не растворяется (его называют инертным — графит, золото, платина), то:

а) при электролизе растворов солей бескислородных кислот (кроме фторидов) на аноде идет процесс окисления аниона;

б) при электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот и фторидов на аноде идет процесс окисления воды (выделяется $О_2↑$). Анионы не окисляются, они остаются в растворе;

в) анионы по их способности окисляться располагаются в следующем порядке:

Попробуем применить эти правила в конкретных ситуациях.

Рассмотрим электролиз раствора хлорида натрия в случае, если анод нерастворимый и если анод растворимый.

1) Анод нерастворимый (например, графитовый).

В растворе идет процесс электролитической диссоциации:

Суммарное уравнение:

$2H_2O+2Cl^{-}=H_2↑+Cl_2↑+2OH^{-}$.

Учитывая присутствие ионов $Na^{+}$ в растворе, составляем молекулярное уравнение:

2) Анод растворимый (например, медный):

$NaCl=Na^{+}+Cl^{-}$.

Если анод растворимый, то металл анода будет окисляться:

$Cu^{0}-2ē=Cu^{2+}$.

Катионы $Cu^{2+}$ в ряду напряжений стоят после ($Н^{+}$), по этому они и будут восстанавливаться на катоде.

Концентрация $NaCl$ в растворе не меняется.

Рассмотрим электролиз раствора сульфата меди (II) на нерастворимом аноде:

$Cu^{2+}+2ē=Cu^{0}|2$

$2H_2O-4ē=O_2↑+4H^{+}|1$

Суммарное ионное уравнение:

$2Cu^{2+}+2H_2O=2Cu^{0}+O_2↑+4H^{+}$

Суммарное молекулярное уравнение с учетом присутствия анионов $SO_4^{2-}$ в растворе:

Рассмотрим электролиз раствора гидроксида калия на нерастворимом аноде:

$2H_2O+2ē=H_2↑+2OH^{-}|2$

$4OH^{-}-4ē=O_2↑+2H_2O|1$

Суммарное ионное уравнение:

$4H_2O+4OH^{-}=2H_2↑+4OH^{-}+O_2↑+2H_2O$

Суммарное молекулярное уравнение:

$2H_2O{→}↖{text»электролиз»}2H_2↑+O_2↑$

В данном случае, оказывается, идет только электролиз воды. Аналогичный результат получим и в случае электролиза растворов $H_2SO_4, NaNO_3, K_2SO_4$ и др.

Электролиз расплавов и растворов веществ широко используется в промышленности:

1. Для получения металлов (алюминий, магний, натрий, кадмий получают только электролизом).
2. Для получения водорода, галогенов, щелочей.
3. Для очистки металлов — рафинирования (очистку меди, никеля, свинца проводят электрохимическим методом).
4. Для защиты металлов от коррозии (хрома, никеля, меди, серебра, золота) — гальваностегия.
5. Для получения металлических копий, пластинок — гальванопластика.

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-анионы.

К: Cu²⁺ + 2e → Cu⁰
A: 2Cl^– – 2e → Cl2

Записываем суммарное уравнение:
CuCl2 → Cu⁰ + Cl2.

4. Раствор CuSO4

Расписываем диссоциацию на ионы:
CuSO4 → Cu²⁺ + SO4^2–

Медь находится в ряду напряжений металлов после водорода, следовательно, только она будет восстанавливаться на катоде. На аноде будут окисляться молекулы воды, так как кислородсодержащие кислотные остатки в растворах на аноде не окисляются.

К: Cu²⁺ + 2e → Cu⁰
A: SO4^2– (в растворе)
     2H2O – 4e → O2 + 4H⁺.

Уравниваем количество электронов на катоде и аноде. Для это умножим все коэффициенты катодного уравнения на 2. Количество сульфат-ионов также необходимо удвоить, так как в сульфате меди соотношение Cu²⁺ и SO4^2– 1:1.

К: 2Cu²⁺ + 4e → 2Cu⁰
A: 2SO4^2– (в растворе)
     2H2O – 4e → O2 + 4H⁺.

Записываем суммарное уравнение:
2Cu²⁺ + 2SO4^2– + 2H2O → 2Cu⁰ + O2 + 4H⁺ + 2SO4^2–.

Соединив катионы и анионы, получаем итоговое уравнение электролиза:
2CuSO4 + 2H2O → 2Cu⁰ + O2 + 2H2SO4.

5. Раствор NiCl2

Расписываем диссоциацию на ионы:
NiCl2 → Ni²⁺ + 2Cl^–

Никель находится в ряду напряжений металлов после алюминия и до водорода, следовательно, на катоде будут восстанавливаться и металл, и водород. На аноде будут окисляться только хлорид-анионы.

К: Ni²⁺ + 2e → Ni⁰
     2H2O + 2e → H2⁰ + 2OH^–
A: 2Cl^– – 2e → Cl2

Уравниваем количество электронов, принимаемых и отдаваемых на катоде и аноде. Для этого умножаем все коэффициенты анодного уравнения на 2:

К: Ni²⁺ + 2e → Ni⁰
     2H2O + 2e → H2⁰ + 2OH^–
     Ni²⁺ (в растворе)
A: 4Cl^– – 4e → 2Cl2

Замечаем, что согласно формуле NiCl2, соотношение атомов никеля и хлора 1:2, следовательно, в раствор необходимо добавить Ni²⁺ для получения общего количества 2NiCl2. Также это необходимо сделать, так как в растворе должны присутствовать противоионы для гидроксид-анионов.

Складываем левые и правые части катодных и анодных процессов:
Ni²⁺ + Ni²⁺ + 4Cl^– + 2H2O → Ni⁰ + H2⁰ + 2OH^– + Ni²⁺ + 2Cl2.

Соединяем катионы и анионы для получения итогового уравнения электролиза:
2NiCl2 + 2H2O → Ni⁰ + H2⁰ + Ni(OH)2 + 2Cl2.

6. Раствор NiSO4

Расписываем диссоциацию на ионы:
NiSO4 → Ni²⁺ + SO4^2–

Никель находится в ряду напряжений металлов после алюминия и до водорода, следовательно, на катоде будут восстанавливаться и металл, и водород. На аноде будут окисляться молекулы воды, так как кислородсодержащие кислотные остатки в растворах на аноде не окисляются.

К: Ni²⁺ + 2e → Ni⁰
     2H2O + 2e → H2⁰ + 2OH^–
A: SO4^2– (в растворе)
     2H2O – 4e → O2 + 4H⁺.

Проверяем, что количество принятых и отданных электронов совпадает. Также замечаем, что в растворе есть гидроксид-ионы, но в записи электродных процессов для них нет противоионов. Следовательно, нужно добавить в раствор Ni²⁺. Так как удвоилось количество ионов никеля, необходимо удвоить и количество сульфат-ионов:

К: Ni²⁺ + 2e → Ni⁰
     2H2O + 2e → H2⁰ + 2OH^–
    Ni²⁺ (в растворе)
A: 2SO4^2– (в растворе)
     2H2O – 4e → O2 + 4H⁺.

Складываем левые и правые части катодных и анодных процессов:
Ni²⁺ + Ni²⁺ + 2SO4^2– + 2H2O + 2H2O → Ni⁰ + Ni²⁺ + 2OH^– + H2⁰ + O2⁰ + 2SO4^2– + 4H⁺.

Соединяем катионы и анионы и записываем итоговое уравнение электролиза:
2NiSO4 + 4H2O → Ni⁰ + Ni(OH)2 + H2⁰ + O2⁰ + 2H2SO4.

В других источниках литературы также говорится об альтернативном протекании электролиза кислородсодержащих солей металлов средней активности. Разница состоит в том, что после сложения левых и правых частей процессов электролиза необходимо соединить H⁺ и OH^– с образованием двух молекул воды. Оставшиеся 2H⁺ расходуются на образование серной кислоты. В этом случае не нужно прибавлять дополнительные ионы никеля и сульфат-ионы:

Ni²⁺ + SO4^2– + 2H2O + 2H2O → Ni⁰ + 2OH^– + H2⁰ + O2⁰ + SO4^2– + 4H⁺.

Ni²⁺ + SO4^2– + 4H2O → Ni⁰ + H2⁰ + O2⁰ + SO4^2– + 2H⁺ + 2H2O.

Итоговое уравнение:

NiSO4 + 2H2O → Ni⁰ + H2⁰ + O2⁰ + H2SO4.

7. Раствор CH3COONa

Расписываем диссоциацию на ионы:
CH3COONa → CH3COO^– + Na⁺

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. На аноде будет происходит окисление ацетат-ионов с образованием углекислого газа и удвоением остатка углеродной цепи:

К: 2Na⁺ (в растворе)
     2H2O + 2e → H2⁰ + 2OH^–
А: 2CH3COO^– – 2e → CH3-CH3 + CO2

Так как количества электронов в процессах окисления и восстановления совпадают, составляем суммарное уравнение:
2Na⁺ + 2CH3COO^– + 2H2O → 2Na⁺ + 2OH^– + H2⁰ + CH3-CH3 + CO2

Соединяем катионы и анионы:
2CH3COONa + 2H2O → 2NaOH + H2⁰ + CH3-CH3 + CO2.

8. Раствор H2SO4

Расписываем диссоциацию на ионы:
H2SO4 → 2H⁺ + SO4^2–

Из катионов в растворе присутствуют только катионы H+, они и будут восстанавливаться до простого вещества. На аноде будет протекать окисление воды, так как кислород содержащие кислотные остатки в растворах на аноде не окисляются.

К: 2H⁺ +2e → H2
A: 2H2O – 4e → O2 + 4H⁺

Уравниваем число электронов. Для этого удваиваем каждый коэффициент в уравнении катодного процесса:

К: 4H⁺ +4e → 2H2
A: 2H2O – 4e → O2 + 4H⁺

Суммируем левые и правые части уравнений:
4H⁺ + 2H2O → 2H2 + O2 + 4H⁺

Катионы H⁺ находятся в обеих частях реакции, следовательно, их нужно сократить. Получаем, что в случае растворов кислот, электролизу подвергаются только молекулы H2O:
2H2O → 2H2 + O2.

9. Раствор NaOH

Расписываем диссоциацию на ионы:
NaOH → Na⁺ + OH^–

Натрий стоит в ряду напряжений до алюминия, следовательно, восстанавливаться на катоде не будет (катионы остаются в растворе). Согласно правилу, на катоде восстанавливается только водород. На аноде будут окисляться гидроксид-анионы с образованием кислорода и воды:

К: Na+ (в растворе)
     2H2O + 2e → H2⁰ + 2OH^–
А: 4OH^– – 4e → O2 + 2H2O

Уравниваем число электронов, принимаемых и отдаваемых на электродах:

К: Na⁺ (в растворе)
     4H2O + 4e → 2H2⁰ + 4OH^–
А: 4OH^– – 4e → O2 + 2H2O

Суммируем левые и правые части процессов:
4H2O + 4OH^– → 2H2⁰ + 4OH^– + O2⁰ + 2H2O

Сокращая 2H2O и ионы OH^–, получаем итоговое уравнение электролиза:
2H2O → 2H2 + O2.

Вывод:
При электролизе растворов 1) кислородсодержащих кислот;
                                                2) щелочей;
                                                3) солей активных металлов и кислородсодержащих кислот
на электродах протекает электролиз воды:
2H2O → 2H2 + O2.

Электролиз водных растворов  солей

 Тема электролиза довольна большая, формул в ней много и, как мне кажется, больше ее изучают на уроках физики… Я хочу рассмотреть ту часть, которая касается химии, и при этом только формат ЕГЭ — электролиз водных  растворов солей.

Электролиз водных растворов солей

Для начала давайте представим себе систему, в которой происходит электролиз.

Электролиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении наэлектродах составных частей растворённых веществ или других веществ, который возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита.

Электроды — это такие пластинки или стержни, опущенные в раствор, они подключены к источнику тока.

• Анод — положительно заряженный электрод
• Катод — отрицательно заряженный электрод

Мы будем рассматривать случай инертных электродов — т.е. они не будут вступать ни в какие химические реакции.

При пропускании электрического тока, вещество раствора будет претерпевать химические изменения, т.е. буду образовываться новые химические вещества. Они будут притягиваться к электродам следующим образом:

• Неметаллы и их производны, анионы — к аноду
• Металлы и их производный, катионы — к катоду

Теперь рассмотрим электролиз водных растворов различных солей

 Для этого нам понадобится ряд активности металлов электрохимический ряд напряжений:

 

 

 Разберем сначала катионы:

• Если металл стоит до Н, то вместо него электролизу подвергается вода:
  2H2O + 2е = H2 + 2OH–      Образовавшийся водород H2 идет к катоду
• Если металл стоит после Н, то он сам восстанавливается:Cu2+ + 2е = Cu0  Медь осаждается на катоде

• Катионы металлов, стоящие в ряду напряжений после алюминия до водорода, могут восстанавливаться вместе с молекулами воды:
  2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН—Zn2+ + 2e = Zn0

 Теперь анионы-кислотные остатки:

• Кислородсодержащие кислотные остатки — вместо них электролизу подвергается вода:
  2H2O — 4e = O2 + 4H+  Образовавшийся O2 выделяется на аноде
• Бескислородные кислотные остатки — окисляются до простого вещества:
  Cl− — 1e = Cl20  Хлор выделяется на аноде
• Исключение:   F− — вместо него будет выделяться кислород.

 Примеры:

 1.1. Катион стоит в ряду до Н, кислотный остаток содержит кислород О:

K2SO4↔2K++SO42−

K(-): 2H2O + 2e = H2 + 2OH−

A(+): 2H2O — 4e = O2 + 4H+

2H2O (электролиз) → 2H2 + O2

1.2. Катион стоит в ряду до Н, кислотный остаток беcкислородный:

LiCl ↔ Li+ + Cl−

катод (-): 2H2O + 2e = H2 + 2OH−

анод (+): Cl− — 1e = Cl0; Cl0+Cl0=Cl2

2LiCl + 2H2O(электролиз) → H2 + Cl2 +2LiOH

2.1. Катион стоит в ряду после Н, кислотный остаток содержит кислород О:

СuSO4 ↔ Cu2++SO42−

K(-): Cu2+ + 2e = Cu0

A(+): 2H2O — 4e = O2 + 4Н+

2CuSO4 + 2H2O(электролиз) → 2Cu + 2H2SO4 + O2

2.2. Катион стоит в ряду после Н, кислотный остаток беcкислородный:

катод (-): Cu2+ + 2e = Cu0

анод (+): 2Cl− — 2e = 2Cl0

CuCl2 (электролиз) →Cu + Cl2