"Химия (базовый уровень)", Минченков Е.Е., Журин А.А., Оржековский П.А.
Электролиз — химическое превращение, которое вызывается постоянным электрическим током и происходит на электродах в расплаве или растворе электролита. Он позволяет получать вещества, очищать металлы и наносить защитные покрытия. Катионы движутся к катоду и принимают электроны, анионы направляются к аноду и отдают электроны. Чтобы предсказать продукты, нужно учитывать среду: в расплаве реагируют ионы электролита, а в водном растворе возможны реакции с участием воды.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электролиз — окислительно-восстановительный процесс, происходящий на электродах при прохождении электрического тока через расплав или раствор электролита. Окислительно-восстановительным его называют потому, что одни частицы отдают электроны, а другие их принимают. Понятие помогает отличать электролиз от простого перемещения заряженных частиц: при электролизе на электродах образуются новые вещества.
Катод — отрицательный электрод электролизёра; к нему движутся катионы, которые принимают электроны и восстанавливаются. Катионы — это положительно заряженные ионы, например Na⁺ и Cu²⁺. Определение катода нужно, чтобы правильно установить, где записывать полуреакцию восстановления и какой знак имеет электрод при электролизе.
Анод — положительный электрод электролизёра; к нему движутся анионы, которые отдают электроны и окисляются. Анионы — отрицательно заряженные ионы, например Cl⁻ и SO₄²⁻. Зная, где находится анод, можно определить место окисления и записать соответствующую полуреакцию, не путая направление движения ионов.
Электролизёр — устройство с источником постоянного тока и электродами, погружёнными в расплав или раствор электролита. Источник создаёт разность потенциалов и поддерживает движение зарядов, а электролит содержит подвижные ионы. Это определение показывает, какие условия необходимы для процесса: среда с ионами и подключённый источник тока.
Источник постоянного тока создаёт электрическое поле внутри электролита и задаёт движение ионов. Положительный полюс соединён с анодом, а отрицательный — с катодом, поэтому катионы притягиваются к катоду, а анионы — к аноду. Внутри раствора заряд переносят именно ионы, тогда как во внешней цепи движутся электроны. Без этого разделения движения зарядов электрическая цепь не могла бы поддерживать электролиз.
На катоде катион принимает электрон: его положительный заряд уменьшается, поэтому частица восстанавливается. На аноде частица отдаёт электрон и окисляется; чаще всего в школьных примерах это анион. Такое распределение следует из того, что катод получает электроны от источника, а с анода электроны уходят во внешнюю цепь. Следовательно, названия процессов не зависят от того, металл это или раствор: катод связан с восстановлением, анод — с окислением.
В расплаве соли нет воды, поэтому набор возможных реагирующих частиц определяется ионами самой соли. Катион принимает электроны на катоде и превращается в нейтральное вещество, а анион отдаёт электроны на аноде. Например, в расплаве NaCl образуются натрий и хлор. Для предсказания продуктов сначала записывают состав расплава, а затем составляют полуреакции для каждого типа ионов.
В водном растворе рядом с ионами соли присутствуют молекулы воды, и они тоже могут участвовать в электродных реакциях. Поэтому на катоде и аноде приходится выбирать между несколькими возможными частицами; выбор зависит от состава раствора и активности веществ. Например, в растворе CuCl₂ на катоде восстанавливаются ионы Cu²⁺, а на аноде окисляются ионы Cl⁻. В растворе Na₂SO₄, напротив, ионы соли остаются в растворе, а превращается вода. Значит, формула соли сама по себе не всегда даёт полный ответ.
Суммарное уравнение получают сложением полуреакций, записанных отдельно для катода и анода. Перед сложением уравнивают электроны: число электронов, отданных в реакции окисления, должно совпасть с числом электронов, принятых при восстановлении. Если числа различаются, одну или обе полуреакции умножают на подходящие коэффициенты. После сложения одинаковые частицы сокращают, а электроны в итоговом уравнении не оставляют, поскольку они переходят от одной электродной реакции к другой через внешнюю цепь.
Используйте таблицу, чтобы сравнить состав среды и реакции на обоих электродах. Для расплава учитывайте только ионы соли, а для водных растворов проверяйте, могут ли реагировать молекулы воды. В каждой строке продукты получаются при сложении полуреакций с уравненным числом электронов.
| Среда и пример | Процессы на катоде | Процессы на аноде | Продукты |
|---|---|---|---|
| Расплав NaCl | Na⁺ + e⁻ → Na | 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻ | Na и Cl₂ |
| Водный раствор CuCl₂ с инертными электродами | Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu | 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻ | Cu и Cl₂ |
| Водный раствор Na₂SO₄ с инертными электродами | 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ | 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ | H₂ и O₂; Na⁺ и SO₄²⁻ остаются в растворе |
Условие. Запишите полуреакции на электродах и суммарное уравнение электролиза расплава NaCl. В расплаве соль распадается на подвижные ионы Na⁺ и Cl⁻. Поскольку воды нет, рассматриваем только эти ионы.
Определяем продукты на электродах: катион Na⁺ движется к катоду, а анион Cl⁻ — к аноду. На катоде записываем восстановление: Na⁺ + e⁻ → Na. На аноде — окисление: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻.
Уравниваем электроны: катодная полуреакция принимает один электрон, а анодная отдаёт два. Умножаем катодную реакцию на 2 и получаем 2Na⁺ + 2e⁻ → 2Na. Теперь число принятых и отданных электронов одинаково.
Складываем полуреакции и сокращаем 2e⁻. Получаем итог для ионов: 2Na⁺ + 2Cl⁻ → 2Na + Cl₂. Заменяем ионы формулой исходного электролита и записываем молекулярное уравнение.
Ответ: катод: 2Na⁺ + 2e⁻ → 2Na; анод: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻; суммарно: 2NaCl → 2Na + Cl₂.
Условие. Определите продукты электролиза водного раствора CuCl₂ с инертными электродами и составьте суммарное уравнение. Инертные электроды сами не превращаются в продукты реакции. В растворе есть ионы Cu²⁺, Cl⁻ и молекулы воды, поэтому нужно рассмотреть возможные частицы для каждого электрода.
На катоде конкурируют Cu²⁺ и частицы воды, но в данном примере восстанавливаются ионы меди: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Осаждение меди показывает, что ион получил электроны и превратился в нейтральный металл. Эту реакцию записываем как катодную полуреакцию.
На аноде окисляются хлорид-ионы: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻. Сравниваем число электронов: катод принимает два, анод отдаёт два. Поэтому дополнительных множителей для полуреакций не требуется.
Складываем уравнения, сокращаем электроны и объединяем ионы в формулу соли. В результате Cu²⁺ и 2Cl⁻ дают CuCl₂, а продукты — медь и хлор. Вода в суммарное уравнение этого процесса не входит.
Ответ: на катоде выделяется Cu, на аноде — Cl₂; суммарное уравнение: CuCl₂ → Cu + Cl₂.
Условие. Для водного раствора Na₂SO₄ с инертными электродами запишите реакции на электродах и объясните изменение состава раствора. В нём есть Na⁺, SO₄²⁻ и вода. Ионы соли в рассматриваемом примере остаются в растворе, а электролизуется вода.
На катоде вода принимает электроны: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻. На аноде вода окисляется: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻. Здесь видно, что водород и кислород образуются из воды, а не из ионов натрия и сульфата.
Уравниваем электроны: умножаем катодную полуреакцию на 2, чтобы она принимала четыре электрона. Складываем её с анодной реакцией, сокращаем электроны и одинаковые частицы. После сокращения получается 2H₂O → 2H₂ + O₂.
Na⁺ и SO₄²⁻ не расходуются в суммарном уравнении, но остаются в растворе, где могут образовываться OH⁻ и H⁺ около электродов. Вода расходуется, поэтому раствор становится более концентрированным по оставшимся ионам соли. При общем описании процесса главные продукты — водород и кислород.
Ответ: катод: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻; анод: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻; суммарно: 2H₂O → 2H₂ + O₂.
Путать знаки электродов. Иногда катод считают положительным, потому что смешивают электролиз с работой гальванического элемента. При электролизе катод подключён к отрицательному полюсу источника, а анод — к положительному. Проверьте знак по подключению: к катоду источник подаёт электроны, к аноду они уходят.
Смешивать движение электронов и ионов. Можно ошибочно представить, что электроны проходят через раствор от электрода к электроду. В электролите заряд переносят ионы, а электроны движутся по внешней металлической цепи. Проверка проста: катионы направляются к катоду, анионы — к аноду.
Учитывать только ионы соли в водном растворе. Такая ошибка возникает, если переносить правила для расплава на раствор, не обращая внимания на воду. В водной среде молекулы H₂O тоже могут принимать или отдавать электроны, поэтому сравните возможные реакции на обоих электродах. Если продукты не соответствуют ионам соли, проверьте участие воды.
Складывать полуреакции без уравнивания электронов. Это приводит к уравнению, в котором нарушается баланс заряда и электронов. Ошибку допускают, когда записывают верные реакции отдельно, но сразу объединяют их без коэффициентов. Перед сложением посчитайте электроны в каждой полуреакции: отданное число должно равняться принятому, а в итоговой реакции электронов быть не должно.
Для электролиза нужно знать, какие ионы образуются при растворении или плавлении соли, и правильно составлять формулы веществ. Понадобятся также понятия окисления и восстановления, умение находить окислитель и восстановитель и составлять электронный баланс. Эти знания помогают предсказывать продукты и уравнивать реакции на электродах. Практическое значение электролиза связано с получением и очисткой металлов, нанесением покрытий и производством веществ.
Чем электролиз отличается от обычного прохождения тока через раствор?
При электролизе ток сопровождается химическими превращениями на электродах: одни частицы отдают электроны, другие принимают их. Поэтому появляются новые вещества или меняется состав раствора. Само движение ионов без электродных реакций ещё не описывает весь процесс электролиза.
Почему катод при электролизе отрицательный?
Катод соединён с отрицательным полюсом источника постоянного тока. Источник подаёт на него электроны, поэтому к катоду притягиваются положительные ионы. Принимая электроны, катионы восстанавливаются.
Как определить, какое вещество выделится на катоде?
Сначала определяют состав среды и возможные частицы: в расплаве это катионы соли, а в растворе нужно учитывать также воду. Затем выясняют, какая частица восстанавливается на катоде в данных условиях. Например, при электролизе водного раствора CuCl₂ на катоде образуется медь.
Почему при электролизе водного раствора могут реагировать молекулы воды?
В воде, помимо ионов растворённого вещества, присутствуют молекулы H₂O. Они могут принимать электроны на катоде или отдавать их на аноде, если реакция с ионами соли в этих условиях не происходит. Поэтому продукты электролиза нельзя определять только по формуле соли.
Как из реакций на электродах получить суммарное уравнение?
Записывают полуреакцию восстановления на катоде и полуреакцию окисления на аноде. Затем умножают их так, чтобы число отданных электронов совпало с числом принятых, складывают уравнения и сокращают одинаковые частицы. Электроны в итоговом уравнении не остаются.
§ 16. Электролиз
