Электролиз теория для егэ

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

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.

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)

Тема 6. «Электролиз растворов и расплавов
солей»

1.           
Электролиз – окислительно – восстановительный процесс,
протекающий на электродах при пропускании электрического тока через раствор или
расплав электролита. 

2.           
Катод – отрицательнозаряженный электрод. Происходит
восстановление катионов металлов и водорода (в кислотах) или молекул воды.

3.           
Анод – положительнозаряженный электрод. Происходит окисление 
анионов кислотного остатка и гироксогруппы (в щелочах).

4.           
При электролизе раствора соли в реакционной смеси присутствует вода.
Поскольку вода может проявлять и окислительные и восстановительные свойства, то
она является «конкурентом» и для катодных и для анодных процессов. 

5.           
Различают электролиз с инертными электродами (графитовые, угольные,
платиновые) и активным анодом (растворимым), а также электролиз расплавов и
растворов электролитов.

КАТОДНЫЕ
ПРОЦЕССЫ

Если металл находится в ряду
напряжений:

Положение металла в ряду напряжений	Восстановление на катоде
от Li до Al	Восстанавливаются молекулы воды:  2H2O + 2e— → H20↑+ 2OH—
от Mn до Pb	Восстанавливаются и молекулы воды и катионы металла: 2H2O + 2e— → H20↑+ 2OH— Men+ + ne— → Me0
от Сu до Au	Восстанавливаются катионы металлов: Men+ + ne— → Me0

АНОДНЫЕ
ПРОЦЕССЫ

Кислотный остаток Асm-		Анод
Растворимый (железо, цинк, медь, серебро)	Нерастворимый (графит, золото, платина)
Бескислородный	Окисление металла анода М0 – nе— = Mn+     анод        раствор	Окисление аниона (кроме F—) Асm- — me— = Ас0
Кислородсодержащий Фторид – ион (F—)	В кислотной и нейтральной средах: 2 H2O — 4e— → О20↑ + 4H+ В щелочной среде: 4ОН— — 4е— = О20↑+ 2Н2O

Примеры процессов электролиза
расплавов с инертными электродами

 В расплаве
электролита присутствуют только его ионы, поэтому на катоде восстанавливаются
катионы электролита, а на аноде окисляются анионы. 1. Рассмотрим электролиз
расплава хлорида калия. 

Термическая диссоциация  КСl →
K⁺ + Cl^—

К(-)                  К⁺
+ 1e^— → K⁰ А (+)       2Сl^— — 2e^—
→ Cl⁰₂↑

Cуммарное
уравнение:

2КСl → 2K⁰ + Cl₂⁰↑

2. Рассмотрим электролиз расплава
хлорида кальция.

Термическая диссоциация  СаСl₂ → Са²⁺
+ 2Сl^—  К(-)                      Са²⁺ + 2e^—
→ Са⁰ А (+)              2Сl^— — 2e^— → Cl⁰₂↑

Cуммарное
уравнение:

СаСl₂  → Ca⁰ + Cl₂⁰↑

3. Рассмотрим электролиз расплава
гидроксида калия.

Термическая диссоциация  КОН → К⁺ +
ОН^— К(-)               К⁺ + 1e^— → К⁰ А
(+)       4ОН^— — 4e^— → О₂⁰↑ + 2Н₂О
Cуммарное уравнение: 4КОН → 4К⁰ + О₂⁰↑
+ 2Н₂О

Примеры
процессов электролиза растворов электролитов  с инертными электродами              В отличие от расплавов в
растворе электролита, кроме его ионов, присутствуют молекулы воды. Поэтому при
рассмотрении процессов на электродах необходимо учитывать их участие. 

 Электролиз раствора
соли, образованной активным металлом, стоящим в ряду напряжений до алюминия и
кислотным остатком кислородосодержащей кислоты сводится к электролизу воды.

1. Рассмотрим электролиз водного
раствора сульфата магния.

 MgSO₄
– соль, которая образована металлом, стоящим в ряду напряжений до алюминия и
кислородсодержащим кислотным остатаком.

Уравнение диссоциации: MgSO₄ → Mg²⁺ +
SO₄^2-

      К
(-)             2Н₂О + 2е^— = Н₂⁰↑ +
2ОН^—

А (+)                        2Н₂О
– 4е^— = О₂⁰↑ + 4Н⁺ Суммарное
уравнение:

6Н₂О = 2Н₂⁰↑ + 4ОН^—
+ О₂⁰↑ + 4Н⁺

2Н₂О = 2Н₂⁰↑ + О₂⁰↑

2. Рассмотрим электролиз водного
раствора сульфата меди (II).

            СuSO₄ – соль, котороая образована
малоактивным металлом и кислородсодержащим кислотным остатком. В данном случае
при электролизе получается металл, кислород, а в катодноанодном пространстве
образуется соответствующая кислота.

Уравнение диссоциации: CuSO₄ → Cu²⁺ +
SO₄^2-

      К
(-)             Cu²⁺ + 2e^— = Cu⁰

А (+)                        2Н₂О
– 4е^— = О₂⁰↑ + 4Н⁺ Суммарное
уравнение:

2Cu²⁺ + 2Н₂О = 2Cu⁰ + О₂⁰↑
+ 4Н⁺

2CuSO₄  + 2Н₂О = 2Cu⁰ + О₂⁰↑
+ 2Н₂SO₄

3. Рассмотрим электролиз водного
раствора хлорида кальция. 

 CаCl₂ – соль, котороя образована активным металлом и
бескислородным кислотным остатком. В данном случае при электролизе образуются
водород, галоген, а в катодно – анодном пространстве образуется щелочь.

Уравнение диссоциации: CаCl₂ → Ca²⁺ +
2Cl^—

К (-)             2Н₂О + 2е^— =
Н₂⁰↑ + 2ОН^— А (+)                        2Сl^—
– 2е^— = Cl₂⁰↑  Суммарное уравнение:

2Н₂О + 2Cl^— = Cl₂⁰↑
+ 2OН^—

CaCl₂  + 2Н₂О = Ca(OH)₂ +
Cl₂⁰↑ + Н₂⁰↑

4. Рассмотрим электролиз водного
раствора хлорида меди (II).

            CuCl₂ – соль,
которая образована малоактивным металлом и кислотным       остатком
бескислородной кислоты. В данном случае образуются металл и галоген.

Уравнение диссоциации: CuCl₂ → Cu²⁺ +
2Cl^—

К (-)             Cu²⁺ +
2e^— = Cu⁰ А (+)                     2Сl^— – 2е^—
= Cl₂⁰↑ 

Суммарное уравнение:

Cu²⁺  + 2Cl^— = Cu⁰ + Cl₂⁰↑

CuCl₂ = Cu⁰ + Cl₂⁰↑

5. Рассмотрим
процесс электролиза раствора ацетата натрия. СН₃СООNa –
соль, которая образована активным металлом и кислотным остатком карбоновой 
кислоты. При электролизе получается водород, щелочь.

Уравнение диссоциации: СН₃СООNa → СН₃СОО
^— + Na⁺

      К
(-)             2Н₂О + 2е^— = Н₂⁰↑ +
2ОН^—

      А
(+)                       2CH₃COO^¯− 2e  =  C₂H₆
+ 2CO₂↑

Суммарное уравнение:

2Н₂О + 2CH₃COO^¯ = Н₂⁰↑
+ 2ОН ^— + C₂H₆ + 2CO₂↑

2Н₂О + 2CH₃COONa = 2NaОH + Н₂⁰↑
+ C₂H₆↑ + 2CO₂↑

6. Рассмотрим процесс электролиза
раствора нитрата никеля. 

Ni(NO₃)₂ — соль,
которая образована металлом, стоящим в ряду напряжений от Mn до H₂ и
кислородсодержащим кислотным остатком. В процессе получаем металл, водород,
кислород и кислоту.

Уравнение диссоциации: Ni(NO₃)₂ → Ni²⁺
+ 2NO₃^—

К (-) Ni²⁺ +2e^— = Ni⁰

                    2Н₂О + 2е^—
= Н₂⁰↑ + 2ОН^— A (+)   2H₂O – 4e^—
= O₂⁰↑ + 4H⁺

Cуммарное уравнение:

Ni²⁺ + 2Н₂О + 2H₂O = Ni⁰
+ Н₂⁰↑ + 2ОН^— + O₂⁰↑ +
4H⁺

Ni(NO₃)₂
+ 2Н₂О = Ni⁰ +2HNO₃ + Н₂⁰↑
 + O₂⁰↑

7. Рассмотрим процесс электролиза
раствора серной кислоты.

Уравнение диссоциации: H₂SO₄ →
2H⁺ + SO₄^2- К (-) 2Н⁺ +2e^—
= Н₂⁰↑

A (+)            2H₂O – 4e^— = O₂⁰↑
+ 4H⁺ Cуммарное уравнение: 2Н₂О + 4Н⁺ =
2Н₂⁰↑ + O₂⁰↑ + 4H⁺

2H₂O
= 2Н₂⁰↑ + O₂⁰↑

8. Рассмотрим процесс электролиза
раствора гидроксида натрия. 

В данном случае идет только электролиз
воды. Аналогично протекает электролиз растворов H₂SO₄,
NaNO₃, K₂SO₄ и др. 

Уравнение диссоциации: NaOH → Na⁺ + OH^— 
К (-) 2H₂O + 2e^— = H₂⁰↑ + 2OH^—

A (+) 4OH^— – 4e^— = O₂⁰↑
+ 2H₂O Cуммарное уравнение:

4H₂O + 4OH^— = 2H₂⁰↑
+ 4OH^— + O₂⁰↑ + 2H₂O

2H₂O = 2H₂⁰↑ + O₂⁰↑

Примеры процессов электролиза растворов
электролитов  с растворимыми электродами

            Растворимый анод при электролизе
сам подвергается окислению (растворению).  

1. Рассмотрим процесс электролиза сульфата меди (II) с медным анодом. При
электролизе раствора сульфата меди с медным анодом процесс сводится к выделению
меди на катоде и постепенному растворению анода, несмотря на природу аниона.
Количество сульфата меди в растворе остается неизменным.

Уравнение диссоциации: CuSO₄ → Cu²⁺ +
SO₄^2- 

      K
(-)            Cu²⁺  +2e^— → Cu⁰

      A (+) Cu⁰ — 2e^—
→ Cu²⁺                  переход ионов меди с анода на катод

Примеры заданий по данной теме в вариантах ЕГЭ

В3. (Вар.5)

            Установите соответствие 
между формулой вещества и продуктами электролиза его водного раствора на
инертных электродах.

ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА                               ПРОДУКТЫ
ЭЛЕКТРОЛИЗА

A) Al₂(SO₄)₃ 
                                                  1. гидроксид металла, кислота
       

Б) СsOH                                                                     2.
металл, галоген

В) Hg(NO₃)₂ 
                                                  3. металл, кислород

Г) AuBr₃                                                                      4.
водород, галоген

                                                                    5.
водород, кислород                                                                      6.
металл, кислота, кислород 

Ход рассуждений: 1. При электролизе Al₂(SO₄)₃
 и СsOH на катоде идет восстановление воды до водорода. Исключаем
варианты 1, 2, 3 и 6.

2.               
Для Al₂(SO₄)₃  на аноде окисляется вода
до кислорода. Выбираем вариант 5.

             Для  СsOH на аноде
окисляется гидроксид ион до кислорода. Выбираем вариант 5.

3.               
При электролизе Hg(NO₃)₂ и АuBr₃ на
катоде идёт восстановление катионов металла. 

4.               
Для Hg(NO₃)₂ на аноде окисляется вода. Нитрат ионы
в растворе связываются с катионами водорода, образуя в анодном пространстве
азотную кислоту. Выбираем вариант 6.  

5.               
Для АuBr₃ на аноде окисляется анион Br^— до Br₂.
Выбираем вариант 2.

В3. (Вар.1)

            Установите
соответствие  между названием вещества и способом его получения.

НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА                                          ПОЛУЧЕНИЕ
ЭЛЕКТРОЛИЗОМ

      А) литий                                                                1)
раствора LiF

      Б) фтор                                                                 2)
расплава LiF

      В) серебро                                                            3)
раствора MgCl₂

      Г) магний                                                               4)
раствора AgNO₃

                                                                                5)
расплава Ag₂O                                                                                   6)
расплава MgCl₂

Ход рассуждений:

1.               
Аналогично электролизу расплава хлорида натрия, протекает процесс
электролиза расплава фторида лития. Для вариантов А и Б выбираем ответы 2. 

2.               
Серебро возможно восстановить из раствора её соли – нитрата
серебра.  

3.               
Из раствора соли магний восстановить нельзя. Выбираем вариант 6 –
расплав хлорида

магния.

В3. (Вар.9)

            Установите
соответствие между формулой соли и уравнением процесса, протекающего на катоде
при электролизе её водного раствора.

ФОРМУЛА СОЛИ                                          УРАВНЕНИЕ
КАТОДНОГО ПРОЦЕССА

А) Al(NO₃)₃                                                     1)
2H₂O – 4e^— → O₂ + 4H⁺

Б) CuCl₂                                                                      2)
2H₂O + 2e^— → H₂ + 2OH^— В) SbCl₃
                                                                     3) Cu²⁺ 
+ 1e^— → Cu⁺

Г) Cu(NO₃)₂                                                    4)
Sb³⁺ — 2 e^— → Sb⁵⁺                                                               

5) 
Sb³⁺  + 3e^— → Sb⁰

6) 
Cu²⁺ + 2e^— → Cu⁰

Ход
рассуждений:

1.               
На катоде протекают процессы восстановления катионов металлов
либо воды. Поэтому сразу исключаем варианты 1 и 4.

2.               
Для Al(NO₃)₃: на катоде идёт процесс
восстановления воды. Выбираем вариант 2.

3.               
Для CuCl₂: восстанавливаются катионы металла Cu²⁺.
Выбираем вариант 6.

4.               
Для SbСl₃: восстанавливаются катионы металла Sb³⁺.
Выбираем вариант 5.

5.               
Для  Cu(NO₃)₂:  восстанавливаются катионы
металла Cu²⁺. Выбираем вариант 6.

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

Одна из самых сложных тем в ЕГЭ по химии — электролиз солей, кислот и щелочей. Она относится к разделу общей химии и вызывает много вопросов у школьников. В статье разберемся, как проходит реакция, какие взаимодействия происходят и как записывать уравнения. 

Общие понятия

Под электролизом понимают группу окислительно-восстановительных реакций, проходящих на электродах в растворе или расплаве при пропускании электрического тока. Катод — это электрод, на котором происходит восстановление. На аноде, соответственно, идет окисление. Поскольку они разнесены в пространстве, катодные и анодные процессы рассматривают отдельно друг от друга. При записи уравнений электролиза используют условные обозначения А(+) и К(-). Взаимодействие проводится в специальной системе, называемой электролитической ячейкой. 

Взаимодействия в расплавах и растворах

Электролиз расплавов — наиболее простой вариант этой реакции. Чаще всего в нем участвуют соли и щелочи. В расплаве они диссоциируют на ионы, а потом «разряжаются» на электродах, образуя простые вещества. В результате химического взаимодействия катион притягивается к катоду, анион — к аноду. Запишем уравнение для расплава бромида натрия: 

К(–): Na+ + 1e = Na0 

А(+): 2Br– – 2e = Br20

Общее: 2NaBr → 2Na + Br2

И для гидроксида натрия, который образует в том числе молекулы кислорода и воды:

К(–): Na+ + 1e = Na0

А(+): 4OH– – 4e = O20 + 2H2O

Общее: 4NaOH → 4Na + O2 + 2H2O

Особенность электролиза растворов в том, что помимо веществ в системе присутствуют молекулы воды. В некоторых случаях они также вступают во взаимодействие. Для правильного написания уравнений нужно проанализировать входящие в состав вещества катионы и анионы. Запись производится в соответствии с правилами в таблице: 

Катодные процессы
Металлы, входящие в состав вещества	Активные (Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al)	Средней активности (Mn Zn Fe Cr Cd Co Ni Sn Pb)	Неактивные (Cu Bi Ag Hg Pd Pt Au)
Происходящие реакции	Катион не вступает в реакцию, восстанавливается молекула воды:  2H2O + 2e = 2OH– + H2	Восстанавливаются и молекула воды, и металл:  Me+n + ne = Me0 2H2O + 2e = 2OH– + H2	В реакции участвует только металл:  Me+n + ne = Me0
Анодные процессы
Анионы, входящие в состав вещества	Cl–, Br–, I–, S2–	F– и кислородсодержащие кислотные остатки (например, SO42—)	Исключения: OH–, RCOO–
Происходящие реакции	Анион вступает в реакцию и окисляется до простого вещества:  An– – ne = A0	В процессе окисления участвует молекула воды:  2H2O – 4e = 4H+ + O2	4OH– – 4e = O2 + 2H2O  2RCOO– – 2e = R–R + 2CO2

Запишем несколько примеров водного электролиза: 

бромид калия:

К(–): 2H2O + 2e = 2OH– + H2 

А(+): 2Br– – 2e = Br20 

Общее: 2KBr + 2H2O → 2KOH + H2 + Br2

нитрат меди:

К(–): Cu2+ + 2e = Cu0 

А(+): 2H2O – 4e = 4H+ + O2

Общее: 2Cu(NO3)2 + 2H2O → 4HNO3 + O2 + 2Cu

ацетат натрия:

К(–): 2H2O + 2e = 2OH– + H2

А(+): 2CH3COO– – 2e = CH3–CH3 + 2CO2

Общее: 2CH3COONa + 2H2O → 2NaOH + H2 + CH3–CH3 + 2CO2

Теперь вы знаете принципы написания уравнений электролиза и основную теорию по этой теме. Это позволит вам успешно выполнить задание 20 на итоговой аттестации. Но для получения высокого балла этого мало. Чтобы изучить принципы выполнения других номеров, записывайтесь на курсы «Уникум» РУДН. Опытные преподаватели помогут разобраться в решении сложных задач, ответят на все вопросы. 

Материал данной статьи носит ознакомительный характер. Для подготовки к сдаче ЕГЭ пользуйтесь дополнительными источниками информации!