Электролиз расплавов и растворов
В 1807 году английский химик Гемфри Дэви пропустил ток мощной батареи через кусок гидроксида калия KOH, слегка увлажнённый на воздухе, чтобы он проводил ток. На катоде появились капельки блестящего металла: так впервые получили калий, а вскоре тем же способом и натрий.
Майкл Фарадей в 1833–1834 годах вывел законы электролиза и ввёл слова, которыми пользуются до сих пор: «электролит», «электрод», «анод», «катод», «ион». Масса вещества на электроде пропорциональна прошедшему заряду. Заряд одного моля электронов — постоянная Фарадея, около 96 500 Кл/моль.
Электролиз — окислительно-восстановительная реакция под действием тока
Электролиз — окислительно-восстановительный процесс, который идёт на электродах, когда через расплав или раствор электролита пропускают постоянный ток. Катод заряжен отрицательно и отдаёт электроны, на нём идёт восстановление. Анод заряжен положительно, на нём окисление.
В расплаве всё просто. Других частиц, кроме ионов соли, там нет, поэтому при электролизе расплава NaCl на катоде идёт Na+ + e → Na, а на аноде 2Cl− − 2e → Cl2. Суммарно 2NaCl → 2Na + Cl2.
В растворе с ионами металла соревнуется вода
У катода в водном растворе выбор: восстановить катион металла или молекулу воды. Решает место металла в ряду напряжений.
Металлы до Al включительно: восстанавливается вода, выделяется водород: 2H2O + 2e → H2 + 2OH−.
Металлы от Mn до Pb: выделяются одновременно металл и водород.
Металлы после водорода, например Cu и Ag: выделяется только металл.
На инертном аноде правило другое. Бескислородные анионы, кроме F−, окисляются сами: хлорид даёт Cl2, бромид Br2, сульфид серу. Кислородсодержащие анионы и фторид не трогаются, вместо них окисляется вода: 2H2O − 4e → O2 + 4H+.
Раствор поваренной соли даёт сразу три продукта: 2NaCl + 2H2O → H2 + Cl2 + 2NaOH. Водород выделяется на катоде, хлор на аноде, а щёлочь накапливается в растворе. На этой реакции стоит производство хлора и едкого натра.
Раствор медного купороса ведёт себя иначе: 2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + O2 + 2H2SO4. Медь оседает на катоде, кислород выделяется на аноде, в растворе копится серная кислота.
Задача 1. Определи продукты на инертных электродах при электролизе водных растворов CuCl2, K2SO4, AgNO3, ZnBr2.
CuCl2: медь стоит после водорода, на катоде медь; хлорид-ион бескислородный, на аноде хлор.
K2SO4: калий активнее алюминия, на катоде водород; сульфат-ион не окисляется, на аноде кислород. Фактически разлагается вода.
AgNO3: на катоде серебро, на аноде кислород, в растворе остаётся азотная кислота.
ZnBr2: цинк стоит между Mn и Pb, на катоде цинк вместе с водородом; на аноде бром.
Ответ: CuCl2 — Cu и Cl2; K2SO4 — H2 и O2; AgNO3 — Ag и O2; ZnBr2 — Zn, H2 и Br2.
Онлайн-школа с 1 по 11 класс
Электролиз удобнее всего разбирать с учителем: в онлайн-школе «Моя школа LS» старшеклассники решают такие задания ЕГЭ на живых уроках в малых группах.
Алюминий получают электролизом оксида в расплавленном криолите
В 1886 году американец Чарльз Холл и француз Поль Эру независимо друг от друга нашли способ, которым алюминий получают до сих пор: оксид алюминия Al2O3 растворяют в расплавленном криолите Na3AlF6 и пропускают ток. Сам оксид плавится при очень высокой температуре. В криолите он растворяется, и ванна работает намного холоднее.
Суммарная схема в школьной записи: 2Al2O3 → 4Al + 3O2. Алюминий собирается на дне ванны, а кислород на угольных анодах сразу окисляет углерод, поэтому аноды постепенно сгорают и их меняют.
Растворимый медный анод очищает медь
До сих пор речь шла об инертных электродах из графита или платины. Если анод сделан из черновой меди, он сам растворяется: Cu − 2e → Cu2+. Ионы меди переходят через раствор CuSO4 и оседают на катоде чистым металлом, а примеси серебра и золота падают на дно ванны в виде шлама, из которого их потом извлекают. Так получают медь для проводов.
Ошибки в электролизе почти всегда связаны с водой
❌ При электролизе раствора NaCl на катоде пишут натрий → ✅ натрий активнее алюминия, на катоде водород, а металлический натрий дают только расплавы.
❌ На аноде из раствора Na2SO4 пишут SO2 или серу → ✅ сульфат-ион не окисляется, выделяется кислород из воды.
❌ Катод считают местом окисления → ✅ на катоде восстановление.
❌ При электролизе раствора KF на аноде пишут фтор → ✅ фторид не окисляется, на аноде кислород.
Задача 2. При электролизе раствора сульфата меди(II) на катоде выделилось 6,4 г меди. Вычисли объём кислорода (н. у.) на аноде и массу разложившегося CuSO4.
Уравнение: 2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + O2 + 2H2SO4.
n(Cu) = 6,4 / 64 = 0,1 моль.
Кислорода вдвое меньше: 0,1 / 2 = 0,05 моль, V = 0,05 · 22,4 = 1,12 л.
Сульфата меди столько же, сколько меди, 0,1 моль. M(CuSO4) = 160 г/моль, m = 0,1 · 160 = 16 г.
Ответ: 1,12 л кислорода и 16 г CuSO4.
Сколько металла даст один и тот же заряд, зависит от заряда иона. Серебру Ag+ нужен один электрон на атом, меди Cu2+ два, алюминию Al3+ три. Поэтому 96 500 Кл выделяют 108 г серебра, но только 64 / 2 = 32 г меди и 27 / 3 = 9 г алюминия.
Задача 3. Через раствор нитрата серебра пропустили заряд 9650 Кл. Вычисли массу серебра, которая выделилась на катоде.
На катоде идёт Ag+ + e → Ag, на один атом серебра нужен один электрон.
Один моль электронов несёт заряд 96 500 Кл, поэтому 9650 Кл соответствуют 0,1 моль электронов.
Серебра тоже 0,1 моль, m = 0,1 · 108 = 10,8 г.
Ответ: 10,8 г серебра.
В расплаве есть только ионы соли, поэтому на катоде всегда выделяется металл, а на аноде окисляется анион соли. В растворе с ионами соли соревнуются молекулы воды: при электролизе раствора NaCl на катоде выделяется водород, а натрий остаётся в растворе в виде щёлочи.
Калий стоит в ряду напряжений до алюминия, поэтому на катоде восстанавливается вода и выделяется водород. Нитрат-ион кислородсодержащий, на аноде окисляется вода и выделяется кислород. По сути разлагается вода: 2H2O → 2H2 + O2.
Так получают алюминий и натрий, хлор и щёлочи, очищают медь, наносят хром и никель на детали. Блестящие хромированные краны и позолоченные украшения тоже покрыты металлом с помощью электролиза.
Оцените урок:
