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+ + SO42- 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 катодно-анодном пространстве образуется соответствующая кислота. Уравнение диссоциации: CuSO4 → Cu2+ + SO42- 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+ + SO42- 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+ + SO42- 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.
А
Б
В
Г
5
5
6
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.
А
Б
В
Г
2
2
4
6
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.
А
Б
В
Г
2
6
5
6