§ 18. Электролиз

Определения и обозначения

Электролиз — окислительно-восстановительный процесс 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. Это определение помогает понять, почему во время процесса исходные ионы превращаются в новые вещества.

Катод — отрицательный электрод, к которому движутся катионы; на нём происходит восстановление. Катион — это положительно заряженный ион, поэтому он притягивается к отрицательному электроду. Название электрода нужно, чтобы правильно определить место реакции и записать принятие электронов.

Анод — положительный электрод, к которому движутся анионы; на нём происходит окисление. Анион имеет отрицательный заряд и направляется к положительному электроду. Понимание этого помогает не перепутать направление движения частиц и место, где они отдают электроны.

Электролит — расплав или раствор вещества, проводящий электрический ток благодаря движению ионов. В твёрдом веществе ионы обычно не могут свободно перемещаться, а в расплаве или растворе такая подвижность появляется. Поэтому электролит нужен, чтобы заряд переносился внутри установки от одного электрода к другому.

Как это устроено

В расплаве или растворе электролита присутствуют подвижные положительные и отрицательные ионы. Когда через электроды подключают источник тока, между ними возникает электрическое поле, которое действует на заряженные частицы. Катионы движутся к отрицательному катоду, а анионы — к положительному аноду, поэтому внутри электролита переносится заряд.

Достигнув катода, катионы получают возможность принять электроны, поступающие от отрицательного полюса источника. Принятие электронов уменьшает положительный заряд частицы и называется восстановлением. В зависимости от состава электролита и условий на катоде могут образоваться атомы металла или другие частицы, например молекулы водорода.

У анода частицы отдают электроны, которые уходят во внешнюю цепь к источнику тока. Потеря электронов называется окислением, поэтому именно на аноде протекает эта часть процесса. В водном растворе не всегда реагируют только анионы растворённого вещества: в некоторых случаях электроны отдают молекулы воды, и тогда продукты отличаются от ожидаемых по одному лишь составу соли.

В расплаве нет воды, поэтому продукты определяются ионами самого вещества. Например, расплав хлорида натрия содержит Na⁺ и Cl⁻: катионы восстанавливаются до натрия, а анионы окисляются до хлора. Полуреакции показывают отдельные процессы на электродах: Na⁺ + e⁻ → Na и 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂; при сложении их учитывают одинаковое число отданных и принятых электронов.

Электролиз полезен там, где нужно получить вещество из соединения, очистить металл или покрыть изделие тонким слоем другого металла. При очистке металла примеси отделяются благодаря тому, что разные частицы по-разному ведут себя на электродах. Количество образовавшегося продукта связано с количеством прошедшего электричества: чем дольше идёт ток или чем больше его сила, тем больше заряд, прошедший через электролит.

Направление движения ионов и процессы на электродах

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, электролизуют расплав или водный раствор: вода может изменить состав продуктов. Затем проследите, какой заряд у ионов, и направьте катионы к катоду, анионы к аноду. В таблице указаны типичные продукты для водных растворов; условия и состав электролита могут влиять на результат.

Разбор задач

Движение ионов

Условие: укажите, к какому электроду движутся ионы Na⁺ и Cl⁻ при электролизе расплава хлорида натрия. Нужно определить направление движения по зарядам частиц, а не по названию вещества. Расплав содержит подвижные ионы натрия и хлора, поэтому оба вида частиц перемещаются в электрическом поле.

1. Na⁺ имеет положительный заряд, значит, это катион. Катионы притягиваются к отрицательному электроду. Отрицательный электрод при электролизе называется катодом.
2. Cl⁻ имеет отрицательный заряд, значит, это анион. Анионы притягиваются к положительному электроду. Положительный электрод называется анодом.

Ответ: ионы Na⁺ движутся к катоду, а ионы Cl⁻ — к аноду. Такой способ рассуждения подходит и для других электролитов, если известны заряды ионов. Само название соли не меняет правило направления движения заряженных частиц.

Продукты электролиза расплава NaCl

Условие: определите продукты электролиза расплава NaCl на катоде и аноде и запишите уравнения полуреакций. В расплаве нет молекул воды, поэтому рассматриваем только ионы Na⁺ и Cl⁻. Нужно отдельно проследить, какая частица принимает электроны, а какая их отдаёт.

1. На катод направляются Na⁺. Каждый ион натрия принимает один электрон и превращается в нейтральный атом: Na⁺ + e⁻ → Na. Это восстановление, потому что частица принимает электроны.
2. На анод направляются Cl⁻. Два хлорид-иона отдают по одному электрону и образуют молекулу хлора: 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂. Это окисление, потому что частицы отдают электроны.
3. Проверяем баланс электронов: катодная полуреакция должна быть умножена на 2, чтобы число принятых электронов совпало с числом отданных. В суммарном уравнении получается 2NaCl → 2Na + Cl₂. Это подтверждает сохранение числа атомов и электронов.

Ответ: на катоде образуется натрий, на аноде — хлор. Полуреакции: 2Na⁺ + 2e⁻ → 2Na и 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂. Вывод относится именно к расплаву; для водного раствора состав продуктов нужно определять заново.

Заряд и масса продукта

Условие: через раствор соли пропускали ток силой 2 А в течение 30 минут. Требуется найти прошедший заряд и объяснить, какие дополнительные данные нужны для вычисления массы продукта. Сила тока показывает, какой заряд проходит за секунду, поэтому время перед расчётом переводим в секунды.

1. Записываем формулу связи заряда, силы тока и времени: Q = It. Здесь Q измеряется в кулонах, I — в амперах, а t нужно подставлять в секундах. Такая единица времени согласуется с тем, что 1 А = 1 Кл/с.
2. Переводим 30 минут в секунды: 30 · 60 = 1800 с. Подставляем значения: Q = 2 · 1800 = 3600 Кл. Значит, через раствор прошёл заряд 3600 кулонов.
3. Чтобы перейти от заряда к массе продукта, одного значения Q недостаточно. Нужно знать, какое вещество выделяется и сколько электронов участвует в образовании его частицы; также используют электрохимический эквивалент вещества. Без этих сведений нельзя определить, сколько вещества образовалось при данном заряде.

Ответ: Q = 3600 Кл. Для вычисления массы нужны данные о продукте и его электрохимическом эквиваленте либо сведения о числе электронов в электродной реакции. Сначала всегда проверяйте, что время выражено в секундах, а затем подбирайте данные для расчёта массы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что катод всегда положительный. Так иногда рассуждают по аналогии с другими устройствами или путают названия электродов, но при электролизе катод соединён с отрицательным полюсом источника. Проверьте себя: если на электроде катионы принимают электроны, это катод, а в данной схеме он отрицательный.

Ошибка: направлять катионы к аноду, а анионы к катоду. Путаница возникает, если ориентироваться на название иона, а не на знак его заряда. Спросите себя, какой заряд у частицы: противоположные заряды притягиваются, поэтому катионы идут к катоду, а анионы — к аноду.

Ошибка: считать, что на катоде происходит окисление, а на аноде — восстановление. Это может случиться, если запомнить только названия электродов и не связать их с движением электронов. Проверьте полуреакцию: принятие электронов означает восстановление на катоде, отдача электронов — окисление на аноде.

Ошибка: переносить продукты электролиза расплава на водный раствор без проверки. В расплаве воды нет, а в растворе молекулы воды могут участвовать в реакциях на электродах. Перед определением продуктов уточните, что именно электролизуют, и проверьте, может ли вода реагировать вместо ионов соли.

Связь с другими темами

Для понимания электролиза нужны знания о строении атома и иона, зарядах катионов и анионов, а также об электролитической диссоциации — распаде вещества на ионы в растворе. Эти темы объясняют, какие частицы находятся в электролите и почему они могут переносить заряд. Представление о направленном движении ионов помогает связать химические реакции с электрическим током.

Электролиз встречается при изучении получения и очистки металлов, химических источников тока и расчётов по уравнениям реакций. Знание процессов на электродах позволяет предсказывать продукты и понимать, как их можно выделить. Формула Q = It связывает силу тока и время с зарядом, который участвует в химических превращениях.

Что запомнить

• Электролиз происходит при прохождении тока через расплав или раствор электролита.
• Катионы движутся к катоду, а анионы — к аноду.
• На катоде происходит восстановление, на аноде — окисление.
• Состав продуктов зависит от того, электролизуют расплав или водный раствор.
• Электролиз применяют для получения и очистки веществ, а также для нанесения металлических покрытий.