§ 18. Электролиз

Определения и обозначения

Электролиз — окислительно-восстановительный процесс, который происходит на электродах при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита. Окислительно-восстановительным называют процесс, в котором частицы передают друг другу электроны. В отличие от самопроизвольной реакции, электролиз требует внешнего источника энергии: ток заставляет вещества превращаться в заданном направлении.

Электролитическая ячейка — устройство, состоящее из источника постоянного тока, электролита и двух погружённых в него электродов. Электролит — вещество, раствор или расплав которого проводит ток благодаря подвижным ионам. Источник поддерживает разность потенциалов между электродами, поэтому ионы направленно перемещаются к ним, а на границах электродов с электролитом идут химические превращения.

Катод и анод — электроды, на которых при электролизе происходят соответственно восстановление и окисление. В электролитической ячейке катод отрицательный, а анод положительный. Это различие нужно помнить, чтобы определить направление движения ионов и не путать электролиз с работой гальванического элемента.

Электродные процессы — превращения частиц на границе электрода с электролитом. Частица, принимающая электроны, восстанавливается; частица, отдающая электроны, окисляется. По этим признакам можно определить, что происходит на каждом электроде, и записать соответствующие полуреакции.

Как это устроено

Источник постоянного тока создаёт разность потенциалов между электродами: катод получает отрицательный заряд, анод — положительный. Заряженные частицы в электролите испытывают действие электрического поля. Поэтому к отрицательному катоду притягиваются катионы, а к положительному аноду — анионы. Без источника такое направленное движение ионов и поддержание электродных реакций не обеспечивались бы.

В растворе ионы уже перемещаются в жидкой среде, а электрическое поле задаёт преимущественное направление их движения. В расплаве ионы образуются, когда при нагревании разрушается ионная структура вещества. Например, расплав NaCl содержит Na⁺ и Cl⁻. В обоих случаях катионы идут к катоду, а анионы — к аноду, хотя происхождение подвижных частиц различается.

На катоде частицы принимают электроны, поступающие от источника по внешней цепи, и восстанавливаются. Например, ион Na⁺ может превратиться в атом натрия: Na⁺ + e⁻ → Na. Но разряжаются не обязательно именно катионы электролита: результат зависит от состава среды и условий. В водном растворе в конкуренции могут участвовать также частицы воды.

На аноде частицы отдают электроны и окисляются; электроны уходят от анода по внешней цепи к источнику. Например, хлорид-ионы могут образовать молекулы хлора: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻. Однако выбор частиц зависит от природы анионов, а также от материала электрода. Поэтому при определении продуктов нужно учитывать не только заряд ионов.

В растворе вместе с ионами электролита присутствуют молекулы воды и небольшое количество её ионов. Они тоже могут участвовать в электродных реакциях, поэтому продукты раствора иногда отличаются от продуктов расплава того же вещества. В расплаве воды нет, и к электродам направляются ионы самого электролита. Сравнивая эти случаи, нельзя автоматически считать, что в обоих образуются одинаковые вещества.

Электролиз на катоде и аноде

Сначала по заряду электрода определите, к какому из них направится нужный ион. Затем вспомните: на катоде частицы принимают электроны, а на аноде отдают. Таблица описывает общий принцип; конкретные продукты зависят от электролита и условий.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, к какому электроду направятся ионы Na⁺ и Cl⁻ при электролизе расплава хлорида натрия. Нужно определить направление для каждого иона по его заряду, не смешивая движение ионов с движением электронов во внешней цепи.

1. Na⁺ имеет положительный заряд, поэтому это катион.
2. Катионы притягиваются к отрицательно заряженному катоду.
3. Cl⁻ имеет отрицательный заряд и является анионом; он движется к положительному аноду.

Ответ: Na⁺ направляется к катоду, а Cl⁻ — к аноду.

Задача 2. Запишите полуреакции на электродах при электролизе расплава NaCl и назовите продукты. В расплаве нет воды, поэтому учитываем только ионы Na⁺ и Cl⁻. На катоде записываем приём электронов, на аноде — их отдачу.

1. Катод: ион натрия принимает один электрон — Na⁺ + e⁻ → Na.
2. Анод: два иона хлора отдают по одному электрону; вместе они образуют молекулу Cl₂ — 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻.
3. Проверяем баланс: в обеих полуреакциях участвуют два электрона, поэтому число отданных и принятых электронов совпадает.

Ответ: на катоде образуется натрий, на аноде — хлор.

Задача 3. Сравните электролиз раствора и расплава одного электролита: объясните, почему продукты на электродах могут различаться. Здесь важно сначала определить, какие частицы вообще находятся в каждой среде, а затем выяснить, какие из них могут разряжаться.

1. В расплаве присутствуют ионы электролита; воды нет, поэтому рассматриваем превращения этих ионов.
2. В растворе есть ионы электролита, вода и её ионы. Частицы воды тоже могут участвовать в реакциях на электродах.
3. Сопоставляем возможные реакции: конкуренция частиц в растворе может изменить продукты по сравнению с расплавом.

Ответ: продукты могут отличаться из-за участия воды и её частиц в электролизе раствора; вывод для расплава нельзя переносить на раствор без проверки.

Типичные ошибки

Путают знак анода. В электролитической ячейке анод положительный, хотя в гальваническом элементе его знак другой. Путаница возникает, когда свойства двух устройств запоминают как одно правило. Проверьте себя: речь идёт именно об электролизе и внешнем источнике тока — значит, катод отрицательный, анод положительный.

Направляют катионы к аноду, а анионы к катоду. Так происходит, если не учитывать заряды ионов и электродов. Катион притягивается к отрицательному катоду, анион — к положительному аноду. Чтобы проверить ответ, назовите заряд иона и сопоставьте его с противоположным зарядом электрода.

Меняют местами процессы на электродах. Иногда восстановление ошибочно приписывают аноду, а окисление — катоду. Причина ошибки — смешение названий процессов с направлением движения ионов. Проверьте число электронов: на катоде электроны принимают, значит, идёт восстановление; на аноде их отдают, значит, идёт окисление.

Считают, что раствор даёт те же продукты, что и расплав. В расплаве нет воды, а в растворе её частицы могут участвовать в электродных реакциях. Ошибка появляется, если учитывать только формулу электролита и не проверять состав среды. Для самопроверки выпишите все возможные частицы раствора, включая воду и её ионы.

Связь с другими темами

Для понимания электролиза нужно знать строение атома и иона, различать катионы и анионы и понимать, как заряженные частицы движутся в электрическом поле. Эти знания помогают предсказать направление движения ионов к электродам. Без них трудно связать заряд частицы с её поведением в ячейке.

Электролиз опирается на умение определять окисление и восстановление по отдаче и приёму электронов. Полуреакции показывают, какие частицы превращаются у каждого электрода и сколько электронов участвует в превращении. Этот способ рассуждения пригодится и при разборе других окислительно-восстановительных реакций.

Электролиз применяют при получении и очистке металлов, а также в гальванотехнике — нанесении металлических покрытий на изделия. Поэтому изучение электродных процессов связывает химические реакции с практическими способами получения веществ. Оно также помогает понять, как управляют превращениями с помощью электрического тока.

Что запомнить

• Электролиз вызывается внешним источником постоянного тока.
• Катионы движутся к катоду, анионы — к аноду.
• На катоде происходит восстановление.
• На аноде происходит окисление.
• Продукты электролиза зависят от состава электролита и условий процесса.
• При электролизе раствора в реакциях могут участвовать частицы воды.