§ 21. Электролиз

Определения и обозначения

Электролиз — окислительно-восстановительный процесс, который происходит при прохождении постоянного тока через расплав или раствор электролита и сопровождается выделением веществ на электродах. Иными словами, электрический ток вызывает химические превращения. Это понятие помогает описать, как из заряженных частиц получаются новые вещества.

Электролит — вещество, расплав или раствор которого проводит электрический ток благодаря движению ионов. Ионы — это заряженные частицы, образовавшиеся из атомов или групп атомов. Понятие электролита показывает, в какой среде возможен электролиз: твёрдая соль обычно не проводит ток, а её расплав или раствор может проводить.

Катод — отрицательный электрод электролизёра, к которому движутся положительные ионы; на катоде происходит восстановление. Катионы принимают электроны, поступающие от источника тока, и становятся менее положительно заряженными или нейтральными частицами. Это обозначение нужно, чтобы правильно записать превращение у отрицательного электрода.

Анод — положительный электрод электролизёра, к которому движутся отрицательные ионы; на аноде происходит окисление. Анионы отдают электроны, после чего образуют нейтральные атомы или молекулы. Понятие анода помогает определить, где записывать отдачу электронов.

Как это устроено

Когда электролит растворяют в воде или расплавляют, его ионы получают возможность свободно перемещаться. В твёрдом веществе частицы удерживаются в узлах кристаллической решётки, а в растворе или расплаве это ограничение исчезает. Поэтому именно подвижные ионы переносят заряд внутри электролита и обеспечивают прохождение тока.

Источник постоянного тока поддерживает на электродах противоположные заряды: один электрод становится отрицательным, другой — положительным. Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются, поэтому положительные катионы направляются к катоду, а отрицательные анионы — к аноду. Так движение каждого вида ионов связано с его зарядом.

На катоде катионы получают электроны от электрода. Присоединение электронов называется восстановлением, поскольку частица приобретает более отрицательный заряд; если заряд становится нулевым, образуется нейтральное вещество. Например, в расплаве NaCl катион натрия превращается в натрий: Na⁺ + e⁻ → Na.

У анода анионы отдают электроны электроду. Потеря электронов называется окислением, а образовавшиеся частицы могут соединяться в молекулы. При электролизе расплава NaCl хлорид-ионы образуют молекулярный хлор: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻. Два иона нужны потому, что молекула хлора состоит из двух атомов.

В растворе продукты нельзя определять только по формуле растворённой соли: в нём есть также вода и её частицы. На электродах могут превращаться ионы соли или частицы, связанные с водой, а активный материал электрода способен сам вступать в реакцию. Поэтому перед записью уравнения выясняют, что именно электролизуют и какие электроды используют.

Что происходит на электродах при электролизе

Сравнивайте электроды по знаку, направлению движения ионов и изменению числа электронов. Таблица показывает общий принцип и пример для расплава: конкретные продукты водного раствора могут быть иными из-за присутствия воды и материала электродов.

Разбор задач

Задача 1

Для расплава хлорида натрия укажите, какие ионы движутся к каждому электроду, и назовите продукты электролиза. Сначала определим частицы, которые даёт соль: NaCl состоит из катионов Na⁺ и анионов Cl⁻. Поскольку это расплав, в нём нет воды, которая могла бы участвовать в процессе.

1. Катион Na⁺ имеет положительный заряд, поэтому движется к отрицательному катоду.
2. Анион Cl⁻ имеет отрицательный заряд, поэтому движется к положительному аноду.
3. На катоде образуется натрий, а у анода ионы хлора дают молекулярный хлор.

Ответ: к катоду движутся Na⁺, к аноду — Cl⁻; продукты электролиза — натрий и хлор.

Задача 2

Запишите полуреакции на электродах и общее уравнение электролиза расплава NaCl. Полуреакция — это запись процесса только на одном электроде, в которой видно, принимаются электроны или отдаются. Сначала запишем превращения ионов, а затем уравняем электроны, чтобы число отданных электронов совпало с числом принятых.

1. На катоде Na⁺ принимает один электрон: Na⁺ + e⁻ → Na.
2. На аноде два иона Cl⁻ отдают два электрона и образуют молекулу хлора: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻.
3. Умножим катодную полуреакцию на 2: 2Na⁺ + 2e⁻ → 2Na. Сложим полуреакции и сократим электроны.
4. Соединим ионы Na⁺ и Cl⁻ в исходную формулу соли, учитывая равенство числа атомов.

Ответ: 2NaCl → 2Na + Cl₂. Проверка показывает, что с обеих сторон по два атома натрия и по два атома хлора, а электроны не остаются в итоговом уравнении.

Задача 3

Предскажите продукты электролиза водного раствора CuCl₂ с инертными электродами и составьте уравнение реакции. Инертные электроды не расходуются в реакции, однако в растворе присутствует вода, поэтому для выбора продуктов нужно учитывать условия. В данном примере на катоде восстанавливаются ионы меди, а на аноде окисляются хлорид-ионы.

1. К катоду направляются Cu²⁺; для получения нейтрального атома меди ион принимает два электрона: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu.
2. К аноду направляются Cl⁻; два иона отдают два электрона и образуют хлор: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻.
3. Сложим полуреакции: электроны сокращаются, а атомы и заряд проверяются по обе стороны уравнения.

Ответ: на катоде выделяется медь, на аноде — хлор; суммарное уравнение CuCl₂ → Cu + Cl₂.

Типичные ошибки

Путают знаки электродов. Иногда катоду приписывают положительный заряд, перенося обозначения из гальванического элемента, где знаки электродов другие. При электролизе катод отрицательный, анод положительный. Проверьте себя по источнику постоянного тока и направлению движения катионов.

Меняют местами направления движения ионов. Ошибка возникает, если запомнить названия электродов, но не учитывать заряды частиц. Положительные катионы притягиваются к отрицательному катоду, а отрицательные анионы — к положительному аноду. Проверка проста: соотнесите знак каждого иона со знаком электрода.

Путают реакции на электродах. Иногда восстановление записывают у анода, а окисление — у катода. Это приводит к неверному направлению электронов и ошибочным полуреакциям. Убедитесь, что катионы принимают электроны на катоде, а анионы отдают их на аноде.

Переносят продукты электролиза расплава на раствор. Так делают, когда не учитывают воду и условия электролиза. В растворе вода и материал электродов могут влиять на продукты, поэтому уравнение для расплава не всегда подходит. Перед решением отметьте, указаны ли раствор или расплав и из какого материала сделаны электроды.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в электролизе, нужно уметь определять состав атома и иона, читать заряды ионов, понимать электролитическую диссоциацию и составлять формулы солей. Эти знания помогают выяснить, какие частицы находятся в расплаве или растворе и куда они будут двигаться.

Также пригодятся представления об окислении и восстановлении: принятие электронов означает восстановление, отдача — окисление. Это позволяет составлять полуреакции и проверять баланс электронов. Электролиз применяют при получении и очистке металлов, нанесении металлических покрытий и получении некоторых простых веществ.

Что запомнить

• Электролиз вызывается прохождением постоянного тока через расплав или раствор электролита.
• В электролите ток переносится движущимися ионами.
• К катоду движутся катионы, к аноду — анионы.
• На катоде происходит восстановление, на аноде — окисление.
• В расплаве NaCl образуются натрий и хлор.
• При прогнозировании продуктов электролиза раствора нужно учитывать воду и материал электродов.