№20. Электролиз растворов и расплавов: что выделяется на катоде и аноде
Задание №20 требует определить продукты электролиза раствора или расплава: что образуется на катоде и что на аноде. Здесь важны три вещи: место металла в ряду напряжений, природа аниона и материал анода. Разберём правила по порядку и соберём их в одну таблицу продуктов.
Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, который идёт в расплаве или растворе под действием постоянного электрического тока. На катоде, то есть на отрицательном электроде, всегда происходит восстановление: частицы принимают электроны. На аноде, положительном электроде, всегда происходит окисление: частицы отдают электроны. Запомни связку: катод — восстановление катионов, анод — окисление анионов.
Самый простой случай — электролиз расплава. В расплаве воды нет, поэтому разряжаются сами ионы: катионы металла идут на катод, анионы — на анод. Так получают активные металлы и фтор, которые из водного раствора выделить нельзя.
2NaCl (расплав) →(эл. ток) 2Na + Cl2 (газ)
2Al2O3 (расплав в криолите) →(эл. ток) 4Al + 3O2 (газ)
В растворе задача сложнее: на электродах конкурируют ионы соли и молекулы воды. Кто победит, зависит от активности металла для катода и от природы аниона для анода. Логика катодных процессов простая: чем активнее металл, тем труднее его катион принимает электроны. Металлы от лития до алюминия включительно из водных растворов не выделяются вообще — вместо них восстанавливается вода. Металлы средней активности выделяются вместе с водородом, а медь, серебро, ртуть и золото выделяются на катоде сами, вода в этом не участвует.
| Положение металла в ряду напряжений | Что происходит на катоде | Пример соли |
|---|---|---|
| Li — Al (активные металлы) | восстанавливается вода: 2H2O + 2e → H2 + 2OH^−, выделяется только водород | NaCl, Ba(OH)2, LiOH, CaCl2 |
| Mn — Pb (средняя активность) | восстанавливаются и катион металла, и вода: металл выделяется вместе с водородом | ZnCl2, FeSO4, NiSO4 |
| Правее водорода: Cu, Ag, Hg, Au | восстанавливается только катион металла, вода не восстанавливается | CuSO4, AgNO3, HgCl2 |
На инертном аноде (графит, платина) всё решает анион. Остатки бескислородных кислот окисляются сами: из хлорида получается хлор, из бромида — бром, из иодида — иод, из сульфида — сера. Анионы кислородсодержащих кислот (SO4^2−, NO3^−, CO3^2−, PO4^3−, ClO4^−) и фторид-ион на аноде не окисляются: вместо них разряжается вода и выделяется кислород. В щелочах на аноде окисляются гидроксид-ионы, и тоже получается кислород. Особый случай — соли карбоновых кислот: ацетат-ион распадается с образованием этана и углекислого газа.
| Анион в растворе | Что окисляется на инертном аноде | Продукт на аноде |
|---|---|---|
| Cl^−, Br^−, I^−, S^2− | сам анион | Cl2, Br2, I2, S |
| SO4^2−, NO3^−, CO3^2−, PO4^3−, ClO4^− | вода | O2 и ионы H^+ |
| F^− | вода | O2 |
| OH^− (растворы щелочей) | гидроксид-ион | O2 и вода |
| CH3COO^− (ацетат) | анион распадается особо | этан C2H6 и углекислый газ CO2 |
2H2O − 4e → O2 + 4H^+ (инертный анод, анион кислородсодержащей кислоты)
2Cl^− − 2e → Cl2 (инертный анод, хлорид)
Если анод растворимый, то есть сделан из того же металла, соль которого находится в растворе, картина меняется: окисляется не анион и не вода, а сам металл анода, и он переходит в раствор в виде ионов. Так работает рафинирование меди: на катоде оседает чистая медь, медный анод постепенно растворяется, а концентрация соли в растворе почти не меняется.
Cu (анод) − 2e → Cu^2+ (раствор), анод растворяется
| Формула вещества (водный раствор) | Продукт на катоде | Продукт на инертном аноде |
|---|---|---|
| CuSO4 | Cu (металл) | O2 (окисляется вода) |
| AgNO3 | Ag | O2 |
| AgF | Ag | O2 (фторид-ион не окисляется) |
| CuCl2 | Cu | Cl2 |
| NaCl | H2 (активный металл) | Cl2 |
| KI | H2 | I2 |
| BaBr2 | H2 | Br2 |
| CaCl2 | H2 | Cl2 |
| CH3COOK | H2 | этан C2H6 и CO2 |
| Na2SO4 | H2 | O2 |
| Rb2SO4 | H2 | O2 |
| Ba(OH)2 (щёлочь) | H2 | O2 |
| LiOH (щёлочь) | H2 | O2 |
| H2SO4 (кислота) | H2 | O2 |
| CuSO4 с медным анодом | Cu | анод растворяется, в раствор идёт Cu^2+ |
- Шаг 1. Определи, что дано: расплав или раствор. В расплаве разряжаются только ионы соли, в растворе к ним добавляется вода.
- Шаг 2. Найди катион металла и его место в ряду напряжений: до алюминия включительно — на катоде водород, от марганца до свинца — металл и водород, правее водорода — только металл.
- Шаг 3. Посмотри на анод: инертный он (графит, платина) или растворимый. Если растворимый, на аноде окисляется металл анода, и природа аниона уже не важна.
- Шаг 4. Для инертного анода определи анион: бескислородный окисляется сам и даёт простое вещество, кислородсодержащий и фторид не окисляются — вместо них выделяется кислород.
- Шаг 5. Запомни два исключения: в щелочах на аноде окисляется гидроксид-ион и тоже получается кислород, а из ацетата образуются этан и углекислый газ.
- Шаг 6. Сверь полученные продукты с перечнем: кислород, хлор и оксиды не могут образоваться на катоде, а металл и водород — на аноде.
Типичные ошибки. 1) Ставят водород на анод. Водород всегда получается на катоде при восстановлении воды, а на аноде выделяется кислород или простое вещество из аниона. 2) Пытаются получить натрий, калий или магний электролизом водного раствора: металлы от лития до алюминия включительно из растворов не выделяются, для них нужен расплав. 3) Окисляют на аноде сульфат- или нитрат-ион: SO4^2−, NO3^− и F^− не окисляются, вместо них разряжается вода. 4) Забывают про растворимый анод: если анод медный, а раствор CuSO4, то на аноде не кислород, а растворение меди. 5) Путают продукты электролиза раствора и расплава: в расплаве NaCl получают натрий и хлор, а в растворе — водород, хлор и щёлочь. 6) Не помнят про ацетат: из CH3COOK на аноде образуются этан и углекислый газ, а не кислород.
Проверь себя
- Почему натрий нельзя получить электролизом водного раствора NaCl, а электролиз расплава для этого подходит?
- Что окисляется на инертном аноде в растворе Na2SO4 и почему сульфат-ион в этом не участвует?
- Как изменятся продукты электролиза CuSO4, если платиновый анод заменить на медный?
- Почему при электролизе раствора KI на аноде выделяется иод, а не кислород?
- Где в процессе электролиза идёт восстановление, а где окисление, и как это связано с названиями электродов?
Показательные решения
- Даны четыре вещества — CuSO4, AgF, Ba(OH)2 и LiOH, и для каждого нужно указать продукт, образующийся на катоде при электролизе водного раствора.
- На катоде всё решает катион, точнее его место в ряду напряжений металлов. Разбираем по очереди.
- А) CuSO4. Медь стоит правее водорода, значит её катион восстанавливается сам, вода не участвует: на катоде выделяется медь — вариант 3.
- Б) AgF. Серебро тоже стоит правее водорода, поэтому на катоде выделяется серебро, вариант 5. Фторид-ион влияет только на анодный процесс, а на катод не влияет.
- В) Ba(OH)2. Барий — активный металл из начала ряда, его катион из раствора не восстанавливается: вместо него восстанавливается вода, и выделяется водород — вариант 1. То же самое для Г) LiOH: литий ещё активнее бария, значит снова водород, вариант 1.
- Записываем ответ по буквам: А — 3, Б — 5, В — 1, Г — 1. Ответ: 3511.
Ответ: 3511
Официальное решение из банка ФИПИ
При электролизе водных растворов солей на катоде выделяется: — водород, если это соль металла, стоящего в ряду напряжений металлов левее алюминия; — металл, если это соль металла, стоящего в ряду напряжений металлов правее водорода; — металл и водород, если это соль металла, стоящего в ряду напряжений металлов между алюминием и водородом. Ответ: 3511.
- Теперь вопрос про анод: для Rb2SO4, CH3COOK, BaBr2 и CuSO4 нужно указать, что образуется на инертном аноде.
- На инертном аноде решает анион: бескислородный окисляется сам, а кислородсодержащий не окисляется, и вместо него разряжается вода с выделением кислорода.
- А) Rb2SO4. Сульфат-ион — остаток кислородсодержащей серной кислоты, он на аноде не окисляется, значит выделяется кислород — вариант 3.
- Б) CH3COOK. Это соль карбоновой кислоты, её анион распадается особым способом: 2CH3COO^− − 2e → C2H6 + 2CO2. Образуются этан и углекислый газ, в перечне это этан — вариант 6.
- В) BaBr2. Бромид-ион бескислородный, он окисляется сам до простого вещества: на аноде выделяется бром, вариант 5.
- Г) CuSO4. Снова сульфат-ион, значит на аноде выделяется кислород, вариант 3. Порядок ответа: 3, 6, 5, 3. Ответ: 3653.
Ответ: 3653
Официальное решение из банка ФИПИ
При электролизе водных растворов солей, щелочей и кислот на инертном аноде: — разряжается вода и выделяется кислород, если это соль кислородсодержащей кислоты или соль фтороводородной кислоты; — разряжаются гидроксид-ионы и выделяется кислород, если это щелочь; — разряжается кислотный остаток, входящий в состав соли, и выделяется соответствующее простое вещество, если это соль бескислородной кислоты (кроме HF). По-особому происходит процесс электролиза солей карбоновых кислот, например: 2CH₃COO⁻ − 2 e → 10,5 cm 2CO₂ + H₃C ≡ CH₃. Ответ: 3653.
- Даны Cu(NO3)2, AgNO3, CaCl2 и Na2SO4; для каждого раствора нужно указать продукт на катоде.
- Правило одно: активные металлы (от лития до алюминия включительно) на катоде не выделяются, вместо них восстанавливается вода и получается водород; металлы правее водорода выделяются сами.
- А) Cu(NO3)2. Медь стоит после водорода, значит на катоде выделяется металл — вариант 1.
- Б) AgNO3. Серебро ещё дальше в ряду напряжений, тоже выделяется металл — вариант 1.
- В) CaCl2. Кальций — активный металл из начала ряда, поэтому на катоде будет водород — вариант 2. Г) Na2SO4: натрий также очень активен, снова выделяется водород, вариант 2.
- Собираем ответ: 1, 1, 2, 2. Заметь, что хлор, кислород и оксиды из перечня — ловушки: на катоде они образоваться не могут. Ответ: 1122.
Ответ: 1122
Официальное решение из банка ФИПИ
При электролизе солей активных металлов (от лития до алюминия включительно) вместо металлов на катоде выделяется только водород. Катионы от Mn²⁺ до Pb²⁺ могут восстанавливаться с выделением металла. Но если их концентрация в растворе мала, то одновременно с металлом в большей или меньшей степени на катоде выделяется и водород. Катионы, стоящие в ряду напряжений после водорода, легко выделяются при электролизе, а вода при этом не восстанавливается. А) Cu (NO₃)₂ — соль металла, стоящего в ряду напряжений после водорода, поэтому он сам выделяется на катоде. Б) AgNO₃ — соль металла, стоящего в ряду напряжений после водорода, поэтому он сам выделяется на катоде. В и Г — соли активных металлов до алюминия, вместо металла восстанавливается водород из воды. Ответ: 1122.