§ 21. Электролиз. Химические источники тока

Определения и обозначения

Электролиз — окислительно-восстановительный процесс на электродах, вызванный прохождением постоянного электрического тока через электролит. Электролит — расплав или раствор, в котором есть подвижные ионы и поэтому возможен перенос заряда. Это понятие помогает понять, почему ток приводит не просто к нагреванию, а к химическим превращениям.

Электрод — проводник, через который ток подводится к электролиту или отводится от него. Катод и анод различаются по реакции: на катоде частицы принимают электроны, а на аноде отдают их. Названия нужны, чтобы определять направление превращений, не путая их со знаками электродов.

Химический источник тока — устройство, в котором энергия химической реакции превращается в электрическую. Внутри него протекают реакции, разделённые между электродами, а электроны могут двигаться по внешней цепи. Такие устройства используют, когда требуется получить электрический ток за счёт химических процессов.

Гальванический элемент — химический источник тока, в котором самопроизвольная окислительно-восстановительная реакция создаёт электрический ток. Самопроизвольной называют реакцию, которая может идти без постоянного внешнего электрического питания. Этот термин помогает отличить источник тока от устройства, в котором ток, наоборот, запускает реакцию.

Как это устроено

В электролизёре внешний источник тока создаёт разность потенциалов и подаёт электроны к одному электроду, а от другого отбирает их. Поэтому катионы направляются к катоду, где принимают электроны и восстанавливаются, анионы движутся к аноду и отдают электроны, окисляясь. Реакция может быть несамопроизвольной: электрическая энергия заставляет её идти в нужном направлении.

Знаки электродов в электролизёре определяются тем, к каким полюсам источника они подключены. Катод соединён с отрицательным полюсом и получает электроны, а анод соединён с положительным и отдаёт электроны во внешнюю цепь. Поэтому знаки могут меняться в разных устройствах, но определение катода и анода по типу реакции остаётся неизменным.

Продукты электролиза зависят от того, какие частицы могут вступать в реакцию, а также от материала электродов. В водном растворе наряду с ионами соли могут реагировать молекулы воды, поэтому приходится сравнивать возможные реакции на каждом электроде. В расплаве воды нет, и набор участников определяется ионами самого вещества.

Количество вещества, выделившегося на электроде, связано с электрическим зарядом: Q = It, где I — сила тока, а t — время. По закону Фарадея масса равна m = MIt/(zF), где M — молярная масса, z — число электронов, нужных для образования одной частицы вещества, F ≈ 96 500 Кл/моль. Коэффициент z берут из уравнения полуреакции, поскольку одна и та же величина заряда может образовать разное количество веществ.

В химическом источнике тока окисление и восстановление происходят на разных электродах, а электроны не переходят напрямую между реагентами. Они идут от анода к катоду по внешней цепи и создают электрический ток. Внутри системы движение ионов компенсирует накопление зарядов, поддерживая электронейтральность растворов.

Сравнение электролизёра и гальванического элемента

Сначала сравните способы преобразования энергии и самопроизвольность реакции, затем проверьте знаки электродов. Реакции на аноде и катоде в обоих случаях одинаковы по типу, поэтому для их определения знаки не нужны. Направление электронов рассматривайте только во внешней цепи.

Разбор задач

Электролиз расплава хлорида натрия

Задача: определите продукты электролиза расплава хлорида натрия и запишите полуреакции на обоих электродах. В расплаве находятся только катионы Na⁺ и анионы Cl⁻, поэтому вода в реакциях не участвует. Ионы натрия принимают электроны, а хлорид-ионы отдают их.

1. На катоде идёт восстановление катионов: Na⁺ + e⁻ → Na.
2. На аноде идёт окисление анионов; чтобы уравнять атомы и заряд, записываем: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻.
3. Умножаем катодную полуреакцию на 2 и складываем полуреакции: 2Na⁺ + 2Cl⁻ → 2Na + Cl₂.

Ответ: на катоде образуется натрий, на аноде — хлор. Суммарное уравнение процесса: 2NaCl → 2Na + Cl₂. Такой разбор работает именно для расплава, где нет частиц воды.

Масса меди при электролизе

Задача: через раствор сульфата меди(II) пропускали ток силой 2,0 А в течение 30 минут. Найдите массу меди, выделившейся на катоде. На катоде восстанавливаются ионы Cu²⁺: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, поэтому z = 2.

1. Переводим время в секунды: t = 30 · 60 = 1800 с.
2. Находим заряд: Q = It = 2,0 · 1800 = 3600 Кл.
3. Подставляем в закон Фарадея: m = MQ/(zF) = 63,5 · 3600/(2 · 96 500) ≈ 1,18 г.

Ответ: на катоде выделится примерно 1,2 г меди. Два электрона в полуреакции означают, что для образования одного моля меди требуется вдвое большее количество электронов, чем при z = 1. Поэтому нельзя подставлять число электронов без проверки уравнения реакции.

Заряд и время при выделении серебра

Задача: при электролизе водного раствора соли на катоде выделилось 1,08 г серебра. Определите прошедший заряд и время электролиза при токе 3,0 А. Серебро образуется по полуреакции Ag⁺ + e⁻ → Ag, следовательно, на один ион нужен один электрон и z = 1.

1. Находим количество серебра: n(Ag) = m/M ≈ 1,08/107,9 ≈ 0,0100 моль.
2. Так как z = 1, количество вещества электронов равно 0,0100 моль, поэтому Q = n(e⁻)F ≈ 0,0100 · 96 500 ≈ 965 Кл.
3. Находим время по формуле t = Q/I: t ≈ 965/3,0 ≈ 322 с, то есть около 5,4 минуты.

Ответ: прошедший заряд — примерно 965 Кл, время электролиза — около 322 с. Здесь удобно сначала связать массу серебра с количеством вещества, а затем — с числом электронов. Так коэффициент z учитывается напрямую, а не теряется в расчёте.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что анод всегда положительный, а катод всегда отрицательный. Такое запоминание подходит для электролизёра, но не для гальванического элемента, где знаки обратные. Путаница возникает, когда знак связывают с названием электрода, а не с устройством. Проверьте себя по реакции: окисление идёт на аноде, восстановление — на катоде, а знаки определяйте отдельно.

Ошибка: смешивать движение электронов с движением ионов. Электроны идут по внешним проводам, а внутри электролита заряд переносят катионы и анионы. Путают эти процессы потому, что оба связаны с прохождением тока. Чтобы проверить себя, укажите среду: в проводе движутся электроны, в электролите — ионы.

Ошибка: при прогнозировании продуктов водного электролиза учитывать только ионы соли. В растворе есть ещё молекулы воды, которые при подходящих условиях могут реагировать на электродах. Об этой возможности забывают, потому что в формуле соли вода не записана. Проверьте список частиц в растворе и сравните возможные реакции, прежде чем выбирать продукт.

Ошибка: подставлять время в минутах или забывать коэффициент z в формуле закона Фарадея. В результате заряд или масса отличаются от правильных, даже если остальные действия выполнены верно. Ошибку допускают, когда механически применяют формулу, не связывая её с полуреакцией. Перед расчётом переведите время в секунды, запишите полуреакцию и проверьте число электронов.

Связь с другими темами

Для понимания электролиза нужно знать, что такое окисление и восстановление, как меняются степени окисления и как электролиты распадаются на ионы. Представление о движении ионов в электрическом поле объясняет, почему катионы и анионы направляются к разным электродам. Эти знания позволяют определить полуреакции до расчёта продуктов.

Электролиз связан с электрохимической коррозией, поскольку в обоих случаях важны перенос электронов и реакции на поверхности металла. Гальванические элементы и аккумуляторы используют превращение химической энергии в электрическую, а электролиз применяют для получения и очистки металлов. Сопоставление этих процессов помогает увидеть, как химические реакции можно как запускать током, так и использовать для его получения.

Что запомнить

• На катоде всегда происходит восстановление, на аноде — окисление.
• В электролизёре катод отрицательный, а анод положительный.
• В гальваническом элементе химическая энергия превращается в электрическую.
• Заряд тока равен произведению силы тока на время: Q = It.
• Масса вещества при электролизе зависит от прошедшего заряда и числа электронов в полуреакции.
• Продукты электролиза водного раствора определяются конкуренцией реакций ионов и воды.