§ 25. Электролиз

Определения и обозначения

Электролиз — окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита. Иными словами, ток заставляет частицы вступать в химические реакции. Это понятие помогает связать электрические явления с получением новых веществ.

Катод — отрицательный электрод, на котором частицы принимают электроны и происходит восстановление. Восстановление означает присоединение электронов, например превращение катиона Cu²⁺ в атом Cu. По катоду можно определить, где ожидается восстановление и какие частицы будут принимать электроны.

Анод — положительный электрод, на котором частицы отдают электроны и происходит окисление. Так анион может превратиться в нейтральную молекулу, отдав электроны. Это определение позволяет правильно записывать вторую половину электродной реакции.

Электролит — вещество, раствор или расплав которого проводит электрический ток благодаря движению ионов. В твёрдом веществе ионы обычно закреплены, а при растворении или плавлении получают возможность перемещаться. Понимание этого термина объясняет, почему электролиз возможен именно в растворах и расплавах.

Как это устроено

Когда электролит растворяется в воде или плавится, его ионы становятся подвижными. Между электродами создаётся электрическое поле, которое заставляет заряженные частицы двигаться направленно: положительные ионы притягиваются к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному. Поэтому без свободного движения ионов электролит не смог бы проводить ток в этих условиях.

На катоде катион получает электроны от источника и превращается в восстановленный продукт. На аноде частицы отдают электроны, которые уходят по внешней цепи, поэтому там происходит окисление. Передача электронов на границе электродов и электролита превращает электрическую энергию в химические изменения.

В расплаве нет воды, а значит, в реакциях могут участвовать только ионы расплавленного вещества. Катион восстанавливается на катоде, анион окисляется на аноде; продукты можно предсказать по составу электролита. Например, при электролизе расплава NaCl образуются натрий и хлор.

В водном растворе присутствуют не только ионы соли, но и молекулы воды, а также небольшое количество образующихся из неё ионов. Поэтому на электродах возможна конкуренция между частицами растворённого вещества и частицами, связанными с водой. Чтобы определить вероятные продукты, учитывают активность металла, состав раствора и условия электролиза, а не просто переносят правила для расплава.

Материал электрода тоже может менять ход процесса. Инертный электрод, например графитовый, проводит электроны и обычно не вступает в реакцию, поэтому продукты образуются из частиц электролита или воды. Растворимый анод, напротив, сам может отдавать электроны и переходить в раствор в виде ионов, из-за чего его масса уменьшается.

Особенности электролиза расплавов и водных растворов

Сначала определите, что электролизуют: расплав или раствор; затем выясните, какие частицы могут разряжаться на каждом электроде. После этого проверьте, не участвует ли в реакции материал анода. Таблица показывает общие варианты, но для конкретного раствора важно учитывать состав и условия процесса.

Разбор задач

Электролиз расплава NaCl

Условие. Запишите уравнения электродных процессов при электролизе расплава NaCl с инертными электродами. В расплаве находятся катионы Na⁺ и анионы Cl⁻. Воды в системе нет, поэтому рассматриваем только эти ионы.

1. На катод направляются катионы Na⁺. Каждый из них принимает один электрон: Na⁺ + e⁻ → Na.
2. На анод направляются анионы Cl⁻. Чтобы из двух ионов образовалась молекула Cl₂, они отдают два электрона: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻.
3. Уравняйте число электронов: умножьте катодную реакцию на 2 и сложите полуреакции. Получается суммарное превращение 2NaCl → 2Na + Cl₂.

Ответ: катод: 2Na⁺ + 2e⁻ → 2Na; анод: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻; суммарно: 2NaCl → 2Na + Cl₂. Проверка показывает, что число атомов каждого элемента и суммарный заряд сохранены. Инертные электроды в уравнение реакции не входят.

Электролиз раствора CuCl₂

Условие. Предскажите продукты электролиза водного раствора CuCl₂ с инертными электродами и составьте суммарное уравнение. В растворе есть Cu²⁺ и Cl⁻, а также вода. Для обычного раствора хлорида меди(II) на катоде выделяется медь, а на аноде из хлорид-ионов образуется хлор.

1. Запишите катодный процесс: ион меди принимает два электрона и превращается в атом металла, Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu.
2. Для образования одной молекулы хлора нужны два хлорид-иона, каждый отдаёт по одному электрону: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻.
3. Сложите процессы: электроны сокращаются, а ионы Cu²⁺ и Cl⁻ дают исходный CuCl₂. Суммарное уравнение: CuCl₂ → Cu + Cl₂.

Ответ: на катоде выделяется Cu, на аноде — Cl₂; суммарно CuCl₂ → Cu + Cl₂. Число атомов меди и хлора в уравнении одинаково слева и справа. В иных условиях состав продуктов водного раствора может зависеть от концентрации и конкурирующих реакций воды.

Расчёт массы металла по заряду

Условие. Через раствор соли прошёл заряд 19 300 Кл; ион металла имеет заряд +2, молярная масса металла равна 65 г/моль. Нужно найти массу выделившегося металла. Используем постоянную Фарадея F ≈ 96 500 Кл/моль.

1. Найдите количество электронов: n(e⁻) = Q/F = 19 300/96 500 = 0,20 моль. Это количество электронов, прошедших через электрод.
2. Один ион M²⁺ принимает два электрона: M²⁺ + 2e⁻ → M. Поэтому количество металла вдвое меньше количества электронов: n(M) = 0,20/2 = 0,10 моль.
3. Вычислите массу по формуле m = nM: m = 0,10 × 65 = 6,5 г. Деление на два необходимо, потому что на восстановление одного двухзарядного иона расходуются два электрона.

Ответ: выделится 6,5 г металла. Проверить расчёт можно по размерности: количество вещества в молях умножено на молярную массу в г/моль, поэтому результат выражен в граммах. Если заряд иона или прошедший заряд изменится, массу нужно пересчитать с тем же соотношением.

Типичные ошибки

Ошибка: называть катод положительным, а анод отрицательным. Так бывает из-за смешения электролиза с другими представлениями об электродах, но при электролизе источник тока задаёт полярность: катод соединён с отрицательным полюсом, анод — с положительным. Проверьте себя по процессам: на катоде частицы получают электроны, на аноде отдают их.

Ошибка: считать, что к катоду идут анионы, а к аноду — катионы. Её допускают, если забывают, что разноимённые заряды притягиваются; к отрицательному катоду направляются катионы, к положительному аноду — анионы. Для самопроверки сопоставьте знак иона со знаком электрода: они должны быть противоположными.

Ошибка: применять к водному раствору правила для расплава без поправок. Это происходит, когда не учитывают наличие воды, которая тоже может участвовать в реакциях и давать продукты на электродах. Проверьте, есть ли в системе вода, и только затем определяйте возможные продукты с учётом активности металла и условий.

Ошибка: путать окисление и восстановление на электродах. Иногда направление переноса электронов запоминают неверно, хотя критерий прост: принятие электронов — восстановление, отдача — окисление. Сверьте уравнения полуреакций: электроны должны стоять справа у анодного процесса и слева у катодного.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать электролиз, нужно понимать строение атома и ионов, различать катионы и анионы, а также знать, что называют окислением и восстановлением. Эти знания помогают определить заряд частиц, направление их движения и число электронов в полуреакциях. Электролиз применяют для получения и очистки металлов, нанесения металлических покрытий и промышленного получения веществ. Значит, тема связывает школьные представления о химических реакциях с электрохимическими технологиями.

Что запомнить

• Электролиз вызывается постоянным электрическим током.
• Катионы направляются к катоду, а анионы — к аноду.
• На катоде происходит восстановление, на аноде — окисление.
• Состав продуктов зависит от того, электролизуют расплав или водный раствор.
• Инертный электрод обычно не расходуется, а растворимый анод может участвовать в реакции.
• Количество вещества, выделившегося при электролизе, связано с прошедшим зарядом.