Электролиз раствора hno3. Водород, при восстановлении по реакции

Электролиз растворов
и расплавов солей (2 ч)

Занятия элективного курса «Электрохимия»

Цели первого урока:

П л а н п е р в о г о у р о к а

1. Повторение изученных способов получения металлов.

2. Объяснение нового материала.

3. Решение задач из учебника Г.Е.Рудзитиса, Ф.Г.Фельдмана «Химия-9» (М.: Просвещение, 2002), с. 120, № 1, 2.

4. Проверка усвоения знаний на тестовых заданиях.

5. Сообщение о применении электролиза.

Цели первого урока: научить писать схемы электролиза растворов и расплавов солей и применять полученные знания для решения расчетных задач; продолжить формирование навыков работы с учебником, тестовыми материалами; обсудить применение электролиза в народном хозяйстве.

ХОД ПЕРВОГО УРОКА

Повторение изученных способов получения металлов на примере получения меди из оксида меди(II).

Запись уравнений соответствующих реакций:

Еще один способ получения металлов из растворов и расплавов их солей – электрохимический , или электролиз .

Электролиз – это окислительно-восстановительный процесс, происходящий на электродах при пропускании электрического тока через расплав или раствор электролита .

Электролиз расплава хлорида натрия:

NaCl Na + + Cl – ;

катод (–) (Na +): Na + + е = Na 0 ,

анод (–) (Cl –): Cl – – е = Cl 0 , 2Cl 0 = Cl 2 ;

2NaCl = 2Na + Cl 2 .

Электролиз раствора хлорида натрия:

NaCl Na + + Cl – ,

H 2 O Н + + ОН – ;

катод (–) (Na + ; Н +): H + + е = H 0 , 2H 0 = H 2

(2H 2 O + 2е = H 2 + 2OH –),

анод (+) (Cl – ; OН –): Cl – – е = Cl 0 , 2Cl 0 = Cl 2 ;

2NaCl + 2H 2 O = 2NaOH + Cl 2 + H 2 .

Электролиз раствора нитрата меди(II):

Cu(NO 3) 2 Cu 2+ +

Н 2 O H + + OH – ;

катод (–) (Cu 2+ ; Н +): Cu 2+ + 2е = Cu 0 ,

анод (+) (OН –): OH – – е = OH 0 ,

4H 0 = O 2 + 2H 2 O;

2Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O = 2Cu + O 2 + 4HNO 3 .

Эти три примера показывают, почему электролиз проводить выгоднее, чем осуществлять другие способы получения металлов: получаются металлы, гидроксиды, кислоты, газы.

Мы писали схемы электролиза, а теперь попробуем написать сразу уравнения электролиза, не обращаясь к схемам, а только используя шкалу активности ионов:

Примеры уравнений электролиза:

2HgSO 4 + 2H 2 O = 2Hg + O 2 + 2H 2 SO 4 ;

Na 2 SO 4 + 2H 2 O = Na 2 SO 4 + 2H 2 + O 2 ;

2LiCl + 2H 2 O = 2LiOH + H 2 + Cl 2 .

Решение задач из учебника Г.Е.Рудзитиса и Ф.Г.Фельдмана (9-й класс, с. 120, № 1, 2).

Задача 1. При электролизе раствора хлорида меди(II) масса катода увеличилась на 8 г. Какой газ выделился, какова его масса?

Решение

CuCl 2 + H 2 O = Cu + Cl 2 + H 2 O,

(Cu) = 8/64 = 0,125 моль,

(Cu) = (Сl 2) = 0,125 моль,

m (Cl 2) = 0,125 71 = 8,875 г.

Ответ . Газ – хлор массой 8,875 г.

Задача 2. При электролизе водного раствора нитрата серебра выделилось 5,6 л газа. Сколько граммов металла отложилось на катоде?

Решение

4AgNO 3 + 2H 2 O = 4Ag + O 2 + 4HNO 3 ,

(O 2) = 5,6/22,4 = 0,25 моль,

(Ag) = 4(O 2) = 4 25 = 1 моль,

m (Ag) = 1 107 = 107 г.

Ответ . 107 г серебра.

Тестирование

Вариант 1

1. При электролизе раствора гидроксида калия на катоде выделяется:

а) водород; б) кислород; в) калий.

2. При электролизе раствора сульфата меди(II) в растворе образуется:

а) гидроксид меди(II);

б) серная кислота;

3. При электролизе раствора хлорида бария на аноде выделяется:

а) водород; б) хлор; в) кислород.

4. При электролизе расплава хлорида алюминия на катоде выделяется:

а) алюминий; б) хлор;

в) электролиз невозможен.

5. Электролиз раствора нитрата серебра протекает по следующей схеме:

а) AgNO 3 + H 2 O Ag + Н 2 + HNO 3 ;

б) AgNO 3 + H 2 O Ag + О 2 + HNO 3 ;

в) AgNO 3 + H 2 O AgNO 3 + Н 2 + О 2 .

Вариант 2

1. При электролизе раствора гидроксида натрия на аноде выделяется:

а) натрий; б) кислород; в) водород.

2. При электролизе раствора сульфида натрия в растворе образуется:

а) сероводородная кислота;

б) гидроксид натрия;

3. При электролизе расплава хлорида ртути(II) на катоде выделяется:

а) ртуть; б) хлор; в) электролиз невозможен.

4.

5. Электролиз раствора нитрата ртути(II) протекает по следующей схеме:

а) Hg(NO 3) 2 + H 2 O Hg + Н 2 + HNO 3 ;

б) Hg(NO 3) 2 + H 2 O Hg + О 2 + HNO 3 ;

в) Hg(NO 3) 2 + H 2 O Hg(NO 3) 2 + Н 2 + О 2 .

Вариант 3

1. При электролизе раствора нитрата меди(II) на катоде выделяется:

а) медь; б) кислород; в) водород.

2. При электролизе раствора бромида лития в растворе образуется:

б) бромоводородная кислота;

в) гидроксид лития.

3. При электролизе расплава хлорида серебра на катоде выделяется:

а) серебро; б) хлор; в) электролиз невозможен.

4. При электролизе раствора хлорида алюминия алюминий выделяется на:

а) катоде; б) аноде; в) остается в растворе.

5. Электролиз раствора бромида бария протекает по следующей схеме:

а) BaBr 2 + H 2 O Br 2 + Н 2 + Ba(OH) 2 ;

б) BaBr 2 + H 2 O Br 2 + Ba + H 2 O;

в) BaBr 2 + H 2 O Br 2 + О 2 + Ba(OH) 2 .

Вариант 4

1. При электролизе раствора гидроксида бария на аноде выделяется:

а) водород; б) кислород; в) барий.

2. При электролизе раствора йодида калия в растворе образуется:

а) йодоводородная кислота;

б) вода; в) гидроксид калия.

3. При электролизе расплава хлорида свинца(II) на катоде выделяется:

а) свинец; б) хлор; в) электролиз невозможен.

4. При электролизе раствора нитрата серебра на катоде выделяется:

а) серебро; б) водород; в) кислород.

5. Электролиз раствора сульфида натрия протекает по следующей схеме:

а) Na 2 S + H 2 O S + Н 2 + NaOH;

б) Na 2 S + H 2 O Н 2 + O 2 + Na 2 S;

в) Na 2 S + H 2 O Н 2 + Na 2 S + NaOH.

Ответы

Вариант	Вопрос 1	Вопрос 2	Вопрос 3	Вопрос 4	Вопрос 5
1	а	б	б	а	б
2	б	б	а	а	б
3	а	в	а	в	а
4	б	в	а	а	а

Применение электролиза в народном хозяйстве

1. Для защиты металлических изделий от коррозии на их поверхность наносят тончайший слой другого металла: хрома, серебра, золота, никеля и т.д. Иногда, чтобы не расходовать дорогие металлы, производят многослойное покрытие. Например, внешние детали автомобиля сначала покрывают тонким слоем меди, на медь наносят тонкий слой никеля, а на него – слой хрома.

При нанесении покрытий на металл электролизом они получаются ровными по толщине, прочными. Таким способом можно покрывать изделия любой формы. Эту отрасль прикладной электрохимии называют гальваностегией .

2. Кроме защиты от коррозии гальванические покрытия придают красивый декоративный вид изделиям.

3. Другая отрасль электрохимии, близкая по принципу к гальваностегии, названа гальванопластикой. Это процесс получения точных копий различных предметов. Для этого предмет покрывают воском и получают матрицу. Все углубления копируемого предмета на матрице будут выпуклостями. Поверхность восковой матрицы покрывают тонким слоем графита, делая ее проводящей электрический ток.

Полученный графитовый электрод опускают в ванну с раствором сульфата меди. Анодом служит медь. При электролизе медный анод растворяется, а на графитовом катоде осаждается медь. Таким образом получается точная медная копия.

С помощью гальванопластики изготавливают клише для печати, грампластинки, металлизируют различные предметы. Гальванопластика открыта русским ученым Б.С.Якоби (1838).

Изготовление штампов для грампластинок включает нанесение тончайшего серебряного покрытия на пластмассовую пластинку, чтобы она стала электропроводной. Затем на пластинку наносят электролитическое никелевое покрытие.

Чем следует сделать пластинку в электролитической ванне – анодом или катодом?

(О т в е т. Катодом.)

4. Электролиз используют для получения многих металлов: щелочных, щелочно-земельных, алюминия, лантаноидов и др.

5. Для очистки некоторых металлов от примесей металл с примесями подключают к аноду. Металл растворяется в процессе электролиза и выделяется на металлическом катоде, а примесь остается в растворе.

6. Электролиз находит широкое применение для получения сложных веществ (щелочей, кислородсодержащих кислот), галогенов.

Практическая работа
(второй урок)

Цели урока. Провести электролиз воды, показать гальваностегию на практике, закрепить знания, полученные на первом уроке.

Оборудование. На столах учащихся : плоская батарейка, два провода с клеммами, два графитовых электрода, химический стакан, пробирки, штатив с двумя лапками, 3%-й раствор сульфата натрия, спиртовка, спички, лучина.

На столе учителя : то же + раствор медного купороса, латунный ключ, медная трубка (кусок меди).

Инструктаж учащихся

1. Прикрепить провода клеммами к электродам.

2. Электроды поставить в стакан, чтобы они не соприкасались.

3. Налить в стакан раствор электролита (сульфата натрия).

4. В пробирки налить воды и, опустив их в стакан с электролитом кверху дном, надеть их на графитовые электроды поочередно, закрепив верхний край пробирки в лапке штатива.

5. После того как прибор будет смонтирован, концы проводов прикрепить к батарейке.

6. Наблюдать выделение пузырьков газов: на аноде их выделяется меньше, чем на катоде. После того как в одной пробирке почти вся вода вытеснится выделяющимся газом, а в другой – наполовину, отсоединить провода от батарейки.

7. Зажечь спиртовку, осторожно снять пробирку, где вода почти полностью вытеснилась, и поднести к спиртовке – раздастся характерный хлопок газа.

8. Зажечь лучину. Снять вторую пробирку, проверить тлеющей лучиной газ.

Задания для учащихся

1. Зарисовать прибор.

2. Написать уравнение электролиза воды и пояснить, почему надо было проводить электролиз в растворе сульфата натрия.

3. Написать уравнения реакций, отражающие выделение газов на электродах.

Учительский демонстрационный эксперимент
(могут выполнять лучшие ученики класса
при наличии соответствующего оборудования)

1. Подсоединить клеммы проводов к медной трубке и латунному ключу.

2. Опустить трубку и ключ в стакан с раствором сульфата меди(II).

3. Подсоединить вторые концы проводов к батарейке: «минус» батарейки к медной трубке, «плюс» к ключу!

4. Наблюдать выделение меди на поверхности ключа.

5. После выполнения эксперимента вначале отсоединить клеммы от батарейки, затем вынуть ключ из раствора.

6. Разобрать схему электролиза с растворимым электродом:

CuSО 4 = Сu 2+ +

анод (+): Сu 0 – 2e = Cu 2+ ,

катод (–): Cu 2+ + 2e = Сu 0 .

Суммарное уравнение электролиза с растворимым анодом написать нельзя.

Электролиз проводился в растворе сульфата меди(II), поскольку:

а) нужен раствор электролита, чтобы протекал электрический ток, т.к. вода является слабым электролитом;

б) не будут выделяться какие-либо побочные продукты реакций, а только медь на катоде.

7. Для закрепления пройденного написать схему электролиза хлорида цинка с угольными электродами:

ZnCl 2 = Zn 2+ + 2Cl – ,

катод (–): Zn 2+ + 2e = Zn 0 ,

2H 2 O + 2e = H 2 + 2OH – ,

анод (+): 2Cl – – 2e = Cl 2 .

Суммарное уравнение реакции в данном случае написать нельзя, т.к. неизвестно, какая часть общего количества электричества идет на восстановление воды, а какая – на восстановление ионов цинка.

Схема демонстрационного эксперимента

Домашнее задание

1. Написать уравнение электролиза раствора, содержащего смесь нитрата меди(II) и нитрата серебра, с инертными электродами.

2. Написать уравнение электролиза раствора гидроксида натрия.

3. Чтобы очистить медную монету, ее надо подвесить на медной проволоке, присоединенной к отрицательному полюсу батареи, и опустить в 2,5%-й раствор NаОН, куда следует погрузить также графитовый электрод, присоединенный к положительному полюсу батареи. Объясните, каким образом монета становится чистой. (Ответ . На катоде идет восстановление ионов водорода:

2Н + + 2е = Н 2 .

Водород вступает в реакцию с оксидом меди, находящимся на поверхности монеты:

СuО + Н 2 = Сu + Н 2 О.

Этот способ лучше, чем чистка порошком, т.к. не стирается монета.)

Электролиз – это окислительно – восстановительные реакции, протекающие на электродах, если через расплав или раствор электролита пропускают постоянный электрический ток.

Катод – восстановитель, отдаёт электроны катионам.

Анод – окислитель, принимает электроны от анионов.

Ряд активности катионов:	Na + , Mg 2+ , Al 3+ , Zn 2+ , Ni 2+ , Sn 2+ , Pb 2+ , H + , Cu 2+ , Ag + _____________________________→ Усиление окислительной способности
Ряд активности анионов:	I - , Br - , Cl - , OH - , NO 3 - , CO 3 2- , SO 4 2- ←__________________________________ Возрастание восстановительной способности

Процессы, протекающие на электродах при электролизе расплавов

(не зависят от материала электродов и природы ионов).

1. На аноде разряжаются анионы (A m - ; OH -

A m - - m ē → A °; 4 OH - - 4ē → O 2 + 2 H 2 O (процессы окисления).

2. На катоде разряжаются катионы (Me n + , H + ), превращаясь в нейтральные атомы или молекулы:

Me n + + n ē → Me ° ; 2 H + + 2ē → H 2 0 (процессы восстановления).

Процессы, протекающие на электродах при электролизе растворов

КАТОД (-) Не зависят от материала катода; зависят от положения металла в ряду напряжений	АНОД (+) Зависят от материала анода и природы анионов.
	Анод нерастворимый (инертный), т.е. изготовлен из угля, графита, платины, золота .	Анод растворимый (активный), т.е. изготовлен из Cu , Ag , Zn , Ni , Fe и др. металлов (кроме Pt , Au )
1.В первую очередь восстанавливаются катионы металлов, стоящие в ряду напряжений после H 2 : Me n+ +nē → Me°	1.В первую очередь окисляются анионы бескислородных кислот (кроме F - ): A m- - mē → A°	Анионы не окисляются. Идёт окисление атомов металла анода: Me° - nē → Me n+ Катионы Me n + переходят в раствор. Масса анода уменьшается.
2.Катионы металлов средней активности, стоящие между Al и H 2 , восстанавливаются одновременно с водой: Me n+ + nē →Me° 2H 2 O + 2ē → H 2 + 2OH -	2.Анионы оксокислот (SO 4 2- , CO 3 2- ,..) и F - не окисляются, идёт окисление молекул H 2 O : 2H 2 O - 4ē → O 2 +4H +
3.Катионы активных металлов от Li до Al (включительно) не восстанавливаются, а восстанавливаются молекулы H 2 O : 2 H 2 O + 2ē →H 2 + 2OH -	3.При электролизе растворов щелочей окисляются ионы OH - : 4OH - - 4ē → O 2 +2H 2 O
4.При электролизе растворов кислот восстанавливаются катионы H + : 2H + + 2ē → H 2 0

ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСПЛАВОВ

Задание 1 . Составьте схему электролиза расплава бромида натрия. (Алгоритм 1.)

Последовательность действий	Выполнение действий
	NaBr → Na + + Br -
	K - (катод ): Na + , A + (анод ): Br -
	K + : Na + + 1ē → Na 0 (восстановление), A + : 2 Br - - 2ē → Br 2 0 (окисление).
	2NaBr = 2Na +Br 2

Задание 2 . Составьте схему электролиза расплава гидроксида натрия. (Алгоритм 2.)

Последовательность действий	Выполнение действий
	NaOH → Na + + OH -
2.Показать перемещение ионов к соответствующим электродам	K - (катод ): Na + , A + (анод ): OH - .
3.Составить схемы процессов окисления и восстановления	K - : Na + + 1ē → Na 0 (восстановление), A + : 4 OH - - 4ē → 2 H 2 O + O 2 (окисление).
4.Составить уравнение электролиза расплава щёлочи	4NaOH = 4Na + 2H 2 O + O 2

Задание 3. Составьте схему электролиза расплава сульфата натрия. (Алгоритм 3.)

Последовательность действий	Выполнение действий
1.Составить уравнение диссоциации соли	Na 2 SO 4 → 2Na + + SO 4 2-
2.Показать перемещение ионов к соответствующим электродам	K - (катод ): Na + A + (анод ): SO 4 2-
	K - : Na + + 1ē → Na 0 , A + : 2SO 4 2- - 4ē → 2SO 3 + O 2
4.Составить уравнение электролиза расплава соли	2Na 2 SO 4 = 4Na + 2SO 3 + O 2

ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРОВ

Задание 1. Составить схему электролиза водного раствора хлорида натрия с использованием инертных электродов. (Алгоритм 1.)

Последовательность действий	Выполнение действий
1.Составить уравнение диссоциации соли	NaCl → Na + + Cl -
	Ионы натрия в растворе не восстанавливаются, поэтому идёт восстановление воды. Ионы хлора окисляются.
3.Составить схемы процессов восстановления и окисления	K - : 2H 2 O + 2ē → H 2 + 2OH - A + : 2Cl - - 2ē → Cl 2
	2NaCl + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2NaOH

Задание 2. Составить схему электролиза водного раствора сульфата меди (II ) с использованием инертных электродов. (Алгоритм 2.)

Последовательность действий	Выполнение действий
1.Составить уравнение диссоциации соли	CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2-
2. Выбрать ионы, которые будут разряжаться на электродах	На катоде восстанавливаются ионы меди. На аноде в водном растворе сульфат-ионы не окисляются, поэтому окисляется вода.
3.Составить схемы процессов восстановления и окисления	K - : Cu 2+ + 2ē → Cu 0 A + : 2H 2 O - 4ē → O 2 +4H +
4.Составить уравнение электролиза водного раствора соли	2CuSO 4 +2H 2 O = 2Cu + O 2 + 2H 2 SO 4

Задание 3. Составить схему электролиза водного раствора водного раствора гидроксида натрия с использованием инертных электродов. (Алгоритм 3.)

Последовательность действий	Выполнение действий
1.Составить уравнение диссоциации щёлочи	NaOH → Na + + OH -
2. Выбрать ионы, которые будут разряжаться на электродах	Ионы натрия не могут восстанавливаться, поэтому на катоде идёт восстановление воды. На аноде окисляются гидроксид-ионы.
3.Составить схемы процессов восстановления и окисления	K - : 2 H 2 O + 2ē → H 2 + 2 OH - A + : 4 OH - - 4ē → 2 H 2 O + O 2
4.Составить уравнение электролиза водного раствора щёлочи	2 H 2 O = 2 H 2 + O 2 , т.е. электролиз водного раствора щёлочи сводится к электролизу воды.

Запомнить. При электролизе кислородсодержащих кислот (H 2 SO 4 и др .) , оснований (NaOH , Ca (OH ) 2 и др.) , солей активных металлов и кислородсодержащих кислот (K 2 SO 4 и др.) на электродах протекает электролиз воды: 2 H 2 O = 2 H 2 + O 2

Задание 4. Составить схему электролиза водного раствора нитрата серебра с использованием анода, изготовленного из серебра, т.е. анод – растворимый. (Алгоритм 4.)

Последовательность действий	Выполнение действий
1.Составить уравнение диссоциации соли	AgNO 3 → Ag + + NO 3 -
2. Выбрать ионы, которые будут разряжаться на электродах	На катоде восстанавливаются ионы серебра, серебряный анод растворяется.
3.Составить схемы процессов восстановления и окисления	K - : Ag + + 1ē→ Ag 0 ; A + : Ag 0 - 1ē→ Ag +
4.Составить уравнение электролиза водного раствора соли	Ag + + Ag 0 = Ag 0 + Ag + электролиз сводится к переносу серебра с анода на катод.

Электрод, на котором происходит восстановление, называется катодом.

Электрод, на котором происходит окисление, - анодом.

Рассмотрим процессы, происходящие при электролизе расплавов солей бескислородных кислот: HCl, HBr, HI, H 2 S (за исключением фтороводородной или плавиковой - HF).

В расплаве такая соль состоит из катионов металла и анионов кислотного остатка.

Например, NaCl = Na + + Cl -

На катоде: Na + + ē = Na образуется металлический натрий (в общем случае - металл, входящий в состав соли)

На аноде: 2Cl - - 2ē = Cl 2 образуется газообразный хлор (в общем случае - галоген, входящий в состав кислотного остатка - кроме фтора - или сера)

Рассмотрим процессы, происходящие при электролизе растворов электролитов.

Процессы, протекающие на электродах, определяются величиной стандартного электродного потенциала и концентрацией электролита (Уравнение Нернста). В школьном курсе не рассматривается зависимость электродного потенциала от концентрации электролита и не используются численные значения величин стандартного электродного потенциала. Ученикам достаточно знать, что в ряду электрохимической напряженности металлов (ряд активности металлов) величина стандартного электродного потенциала пары Me +n /Me:

1. увеличивается слева направо
2. металлы, стоящие в ряду до водорода, имеют отрицательное значение этой величины
3. водород, при восстановлении по реакции 2Н + + 2ē = Н 2 , (т.е. из кислот) имеет нулевое значение стандартного электродного потенциала
4. металлы, стоящие в ряду после водорода, имеют положительное значение этой величины

! водород при восстановлении по реакции:

2H 2 O + 2ē = 2OH - + H 2 , (т.е. из воды в нейтральной среде) имеет отрицательное значение стандартного электродного потенциала -0,41

Материал анода может быть растворимым (железо, хром, цинк, медь, серебро и др. металлы) и нерастворимым – инертным – (уголь, графит, золото, платина), поэтому в растворе будут присутствовать ионы, образующиеся при растворении анода:

Ме - nē = Ме +n

Образовавшиеся ионы металла будут присутствовать в растворе электролита и их электрохимическую активность тоже будет нужно учитывать.

Исходя из этого, для процессов, протекающих на катоде, можно определить следующие правила:

1. катион электролита расположен в электрохимическом ряду напряжений металлов до алюминия включительно, идет процесс восстановления воды:

2H 2 O + 2ē = 2OH - + H 2

Катионы металла остаются в растворе, в прикатодном пространстве

2. катион электролита находится между алюминием и водородом, в зависимости от концентрации электролита идет или процесс восстановления воды или процесс восстановления ионов металла. Поскольку концентрация не указывается в задании, записываются оба возможных процесса:

2H 2 O + 2ē = 2OH - + H 2

Ме +n + nē = Ме

3. катион электролита - это ионы водорода, т.е. электролит - кислота. Восстанавливаются ионы водорода:

2Н + + 2ē = Н 2

4. катион электролита находится после водорода, восстанавливаются катионы металла.

Ме +n + nē = Ме

Процесс на аноде зависит от материала анода и природы аниона.

1. Если анод растворяется (например, железо, цинк, медь, серебро), то окисляется металл анода.

Ме - nē = Ме +n

2. Если анод инертный, т.е. не растворяется (графит, золото, платина):

а) При электролизе растворов солей бескислородных кислот (кроме фторидов), идет процесс окисления аниона;

2Cl - - 2ē = Cl 2

2Br - - 2ē = Br 2

2I - - 2ē = I 2

S 2 - - 2ē = S

б) При электролизе растворов щелочей, идет процесс окисления гидроксогруппы ОН - :

4OH - - 4ē = 2H 2 O + O 2

в) При электролизе растворов солей кислородосодержащих кислот: HNO 3 , H 2 SO 4 , H 2 CO 3 , H 3 PO 4 , и фторидов, идет процесс окисления воды.

2H 2 O - 4ē = 4H + + О 2

г) При электролизе ацетатов (солей уксусной или этановой кислоты) окисляется ацетат-ион до этана и оксида углерода (IV) - углекислого газа.

2СН 3 СОО - - 2ē = С 2 Н 6 + 2СО 2

Примеры заданий.

1. Установите соответствие между формулой соли и продуктом, образующимся на инертном аноде при электролизе её водного раствора.

ФОРМУЛА СОЛИ

А) NiSO 4

Б) NaClO 4

В) LiCl

Г) RbBr

ПРОДУКТ НА АНОДЕ

1) S 2) SO 2 3) Cl 2 4) O 2 5) H 2 6) Br 2

Решение:

Так как в задании указан инертный анод, мы рассматриваем только изменения, происходящие с кислотными остатками, образующимися при диссоциации солей:

SO 4 2 - кислотный остаток кислородосодержащей кислоты. Идет процесс окисления воды, выделяется кислород. Ответ 4

ClO 4 - кислотный остаток кислородосодержащей кислоты. Идет процесс окисления воды, выделяется кислород. Ответ 4.

Cl - кислотный остаток бескислородной кислоты. Идет процесс окисления самого кислотного остатка. Выделяется хлор. Ответ 3.

Br - кислотный остаток бескислородной кислоты. Идет процесс окисления самого кислотного остатка. Выделяется бром. Ответ 6.

Общий ответ: 4436

2. Установите соответствие между формулой соли и продуктом, образующимся на катоде при электролизе её водного раствора.

ФОРМУЛА СОЛИ

А) Al(NO 3) 3

Б) Hg(NO 3) 2

В) Cu(NO 3) 2

Г) NaNO 3

ПРОДУКТ НА АНОДЕ

1) водород 2) алюминий 3) ртуть 4) медь 5) кислород 6) натрий

Решение:

Так как в задании указан катод, мы рассматриваем только изменения, происходящие с катионами металлов, образующимися при диссоциации солей:

Al 3+ в соответствии с положением алюминия в электрохимическом ряду напряжений металлов (от начала ряда до алюминия включительно) будет идти процесс восстановления воды. Выделяется водород. Ответ 1.

Hg 2+ в соответствии с положением ртути (после водорода) будет идти процесс восстановления ионов ртути. Образуется ртуть. Ответ 3.

Cu 2+ в соответствии с положением меди (после водорода) будет идти процесс восстановления ионов меди. Ответ 4.

Na + в соответствии с положением натрия (от начала ряда до алюминия включительно) будет идти процесс восстановления воды. Ответ 1.

Общий ответ: 1341

Напомним, что на катоде протекают процессы восстановления, на аноде - процессы окисления.

Процессы, протекающие на катоде:

В растворе имеются несколько видов положительно заряженных частиц, способных восстанавливаться на катоде:

1) Катионы металла восстанавливаются до простого вещества, если металл находится в ряду напряжений правее алюминия (не включая сам Al). Например:
Zn 2+ +2e → Zn 0 .

2) В случае раствора соли или щелочи: катионы водорода восстанавливаются до простого вещества, если металл находится в ряду напряжений металлов до H 2:
2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH - .
Например, в случае электролиза растворов NaNO 3 или KOH.

3) В случае электролиза раствора кислоты: катионы водорода восстанавливаются до простого вещества:
2H + +2e → H 2 .
Например, в случае электролиза раствора H 2 SO 4 .

Процессы, протекающие на аноде:

На аноде легко окисляются кислотные остатки не содержащие кислород. Например, галогенид-ионы (кроме F -), сульфид-анионы, гидроксид-анионы и молекулы воды:

1) Галогенид-анионы окисляются до простых веществ:
2Cl - - 2e → Cl 2 .

2) В случае электролиза раствора щелочи в гидроксид-анионах кислород окисляется до простого вещества. Водород уже имеет степень окисления +1 и не может быть окислен дальше. Также будет выделение воды - почему? Потому что больше ничего написать и не получится: 1) H + написать не можем, так как OH - и H + не могут стоять по разные стороны одного уравнения; 2) H 2 написать также не можем, так как это был бы процесс восстановления водорода (2H + +2e → H 2), а на аноде протекают только процессы окисления.
4OH - - 4e → O 2 + 2H 2 O.

3) Если в растворе есть анионы фтора или любые кислородсодержащие анионы, то окислению будет подвергаться вода с подкислением прианодного пространства согласно следующему уравнению:
2H 2 O - 4e → O 2 + 4H + .
Такая реакция идет в случае электролиза растворов кислородсодержащих солей или кислородсодержащих кислот. В случае электролиза раствора щелочи окисляться будут гидроксид-анионы согласно правилу 2) выше.

4) В случае электролиза раствора соли органической кислоты на аноде всегда происходит выделение CO 2 и удвоение остатка углеродной цепи:
2R-COO - - 2e → R-R + 2CO 2 .

Примеры:

1. Раствор NaCl

NaCl → Na + + Cl -

Металл Na стоит в ряду напряжений до алюминия, следовательно, восстанавливаться на катоде не будет (катионы остаются в растворе). Согласно правилу выше, на катоде восстанавливается водород. Хлорид-анионы будут окисляться на аноде до простого вещества:

К: 2Na + (в растворе)
А: 2Cl - - 2e → Cl 2

Коэффициент 2 перед Na + появился из-за наличия аналогичного коэффициента перед хлорид-ионами, так как в соли NaCl их соотношение 1:1.

Проверяем, что количество принимаемых и отдаваемых электронов одинаковое, и суммируем левые и правые части катодных и анодных процессов:

2Na + + 2Cl - + 2H 2 O → H 2 0 + 2Na + + 2OH - + Cl 2 . Соединяем катионы и анионы:
2NaCl + 2H 2 O → H 2 0 + 2NaOH + Cl 2 .

2. Раствор Na 2 SO 4

Расписываем диссоциацию на ионы:
Na 2 SO 4 → 2Na + + SO 4 2-

Натрий стоит в ряду напряжений до алюминия, следовательно, восстанавливаться на катоде не будет (катионы остаются в растворе). Согласно правилу выше, на катоде восстанавливается только водород. Сульфат-анионы содержат кислород, поэтому окисляться не будут, также оставаясь в растворе. Согласно правилу выше, в этом случае окисляются молекулы воды:

К: 2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH -
А: 2H 2 O - 4e → O 2 0 + 4H + .

Уравниваем число принимаемых и отдаваемых электронов на катоде и аноде. Для этого необходимо умножить все коэффициенты катодного процесса на 2:
К: 4H 2 O + 4e → 2H 2 0 + 4OH -
А: 2H 2 O - 4e → O 2 0 + 4H + .

6H 2 O → 2H 2 0 + 4OH - + 4H + + O 2 0 .

4OH- и 4H+ соединяем в 4 молекулы H 2 O:
6H 2 O → 2H 2 0 + 4H 2 O + O 2 0 .

Сокращаем молекулы воды, находящиеся по обе стороны уравнения, т.е. вычитаем из каждой части уравнения 4H 2 O и получаем итоговое уравнение гидролиза:
2H 2 O → 2H 2 0 + O 2 0 .

Таким образом, гидролиз растворов кислородсодержащих солей активных металлов (до Al включительно) сводится к гидролизу воды, так как ни катионы металлов, ни анионы кислотных остатков не принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, протекающих на электродах.

3. Раствор CuCl 2

Расписываем диссоциацию на ионы:
CuCl 2 → Cu 2+ + 2Cl -

Медь находится в ряду напряжений металлов после водорода, следовательно, только она будет восстанавливаться на катоде. На аноде будут окисляться только хлорид-анионы.

К : Cu 2+ + 2e → Cu 0
A: 2Cl - - 2e → Cl 2

CuCl 2 → Cu 0 + Cl 2 .

4. Раствор CuSO 4

Расписываем диссоциацию на ионы:
CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2-

Медь находится в ряду напряжений металлов после водорода, следовательно, только она будет восстанавливаться на катоде. На аноде будут окисляться молекулы воды, так как кислородсодержащие кислотные остатки в растворах на аноде не окисляются.

К: Cu 2+ + 2e → Cu 0
A: SO 4 2- (в растворе)
2H 2 O - 4e → O 2 + 4H + .

Уравниваем количество электронов на катоде и аноде. Для это умножим все коэффициенты катодного уравнения на 2. Количество сульфат-ионов также необходимо удвоить, так как в сульфате меди соотношение Cu 2+ и SO 4 2- 1:1.

К: 2Cu 2+ + 4e → 2Cu 0
A: 2SO 4 2- (в растворе)
2H 2 O - 4e → O 2 + 4H + .

Записываем суммарное уравнение:
2Cu 2+ + 2SO 4 2- + 2H 2 O → 2Cu 0 + O 2 + 4H + + 2SO 4 2- .

Соединив катионы и анионы, получаем итоговое уравнение электролиза:
2CuSO 4 + 2H 2 O → 2Cu 0 + O 2 + 2H 2 SO 4 .

5. Раствор NiCl 2

Расписываем диссоциацию на ионы:
NiCl 2 → Ni 2+ + 2Cl -

Никель находится в ряду напряжений металлов после алюминия и до водорода, следовательно, на катоде будут восстанавливаться и металл, и водород. На аноде будут окисляться только хлорид-анионы.

К : Ni 2+ + 2e → Ni 0
2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH -
A: 2Cl - - 2e → Cl 2

Уравниваем количество электронов, принимаемых и отдаваемых на катоде и аноде. Для этого умножаем все коэффициенты анодного уравнения на 2:

К: Ni 2+ + 2e → Ni 0
2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH -
Ni 2+ (в растворе)
A: 4Cl - - 4e → 2Cl 2

Замечаем, что согласно формуле NiCl 2 , соотношение атомов никеля и хлора 1:2, следовательно, в раствор необходимо добавить Ni 2+ для получения общего количества 2NiCl 2 . Также это необходимо сделать, так как в растворе должны присутствовать противоионы для гидроксид-анионов.

Складываем левые и правые части катодных и анодных процессов:
Ni 2+ + Ni 2+ + 4Cl - + 2H 2 O → Ni 0 + H 2 0 + 2OH - + Ni 2+ + 2Cl 2 .

Соединяем катионы и анионы для получения итогового уравнения электролиза:
2NiCl 2 + 2H 2 O → Ni 0 + H 2 0 + Ni(OH) 2 + 2Cl 2 .

6. Раствор NiSO 4

Расписываем диссоциацию на ионы:
NiSO 4 → Ni 2+ + SO 4 2-

Никель находится в ряду напряжений металлов после алюминия и до водорода, следовательно, на катоде будут восстанавливаться и металл, и водород. На аноде будут окисляться молекулы воды, так как кислородсодержащие кислотные остатки в растворах на аноде не окисляются.

К: Ni 2+ + 2e → Ni 0
2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH -
A: SO 4 2- (в растворе)
2H 2 O - 4e → O 2 + 4H + .

Проверяем, что количество принятых и отданных электронов совпадает. Также замечаем, что в растворе есть гидроксид-ионы, но в записи электродных процессов для них нет противоионов. Следовательно, нужно добавить в раствор Ni 2+ . Так как удвоилось количество ионов никеля, необходимо удвоить и количество сульфат-ионов:

К: Ni 2+ + 2e → Ni 0
2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH -
Ni 2+ (в растворе)
A: 2SO 4 2- (в растворе)
2H 2 O - 4e → O 2 + 4H + .

Складываем левые и правые части катодных и анодных процессов:
Ni 2+ + Ni 2+ + 2SO 4 2- + 2H 2 O + 2H 2 O → Ni 0 + Ni 2+ + 2OH - + H 2 0 + O 2 0 + 2SO 4 2- + 4H + .

Соединяем катионы и анионы и записываем итоговое уравнение электролиза:
2NiSO 4 + 4H 2 O → Ni 0 + Ni(OH) 2 + H 2 0 + O 2 0 + 2H 2 SO 4 .

В других источниках литературы также говорится об альтернативном протекании электролиза кислородсодержащих солей металлов средней активности. Разница состоит в том, что после сложения левых и правых частей процессов электролиза необходимо соединить H + и OH - с образованием двух молекул воды. Оставшиеся 2H + расходуются на образование серной кислоты. В этом случае не нужно прибавлять дополнительные ионы никеля и сульфат-ионы:

Ni 2+ + SO 4 2- + 2H 2 O + 2H 2 O → Ni 0 + 2OH - + H 2 0 + O 2 0 + SO 4 2- + 4H + .

Ni 2+ + SO 4 2- + 4H 2 O → Ni 0 + H 2 0 + O 2 0 + SO 4 2- + 2H + + 2H 2 O.

Итоговое уравнение:

NiSO 4 + 2H 2 O → Ni 0 + H 2 0 + O 2 0 + H 2 SO 4 .

7. Раствор CH 3 COONa

Расписываем диссоциацию на ионы:
CH 3 COONa → CH 3 COO - + Na +

Натрий стоит в ряду напряжений до алюминия, следовательно, восстанавливаться на катоде не будет (катионы остаются в растворе). Согласно правилу выше, на катоде восстанавливается только водород. На аноде будет происходит окисление ацетат-ионов с образованием углекислого газа и удвоением остатка углеродной цепи:

К: 2Na + (в растворе)
2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH -
А: 2CH 3 COO - - 2e → CH 3 -CH 3 + CO 2

Так как количества электронов в процессах окисления и восстановления совпадают, составляем суммарное уравнение:
2Na + + 2CH 3 COO - + 2H 2 O → 2Na + + 2OH - + H 2 0 + CH 3 -CH 3 + CO 2

Соединяем катионы и анионы:
2CH 3 COONa + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 0 + CH 3 -CH 3 + CO 2 .

8. Раствор H 2 SO 4

Расписываем диссоциацию на ионы:
H 2 SO 4 → 2H + + SO 4 2-

Из катионов в растворе присутствуют только катионы H+, они и будут восстанавливаться до простого вещества. На аноде будет протекать окисление воды, так как кислород содержащие кислотные остатки в растворах на аноде не окисляются.

К : 2H + +2e → H 2
A: 2H 2 O - 4e → O 2 + 4H +

Уравниваем число электронов. Для этого удваиваем каждый коэффициент в уравнении катодного процесса:

К : 4H + +4e → 2H 2
A: 2H 2 O - 4e → O 2 + 4H +

Суммируем левые и правые части уравнений:
4H + + 2H 2 O → 2H 2 + O 2 + 4H +

Катионы H + находятся в обеих частях реакции, следовательно, их нужно сократить. Получаем, что в случае растворов кислот, электролизу подвергаются только молекулы H 2 O:
2H 2 O → 2H 2 + O 2 .

9. Раствор NaOH

Расписываем диссоциацию на ионы:
NaOH → Na + + OH -

Натрий стоит в ряду напряжений до алюминия, следовательно, восстанавливаться на катоде не будет (катионы остаются в растворе). Согласно правилу, на катоде восстанавливается только водород. На аноде будут окисляться гидроксид-анионы с образованием кислорода и воды:

К: Na+ (в растворе)
2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH -
А: 4OH - - 4e → O 2 + 2H 2 O

Уравниваем число электронов, принимаемых и отдаваемых на электродах:

К: Na + (в растворе)
4H 2 O + 4e → 2H 2 0 + 4OH -
А: 4OH - - 4e → O 2 + 2H 2 O

Суммируем левые и правые части процессов:
4H 2 O + 4OH - → 2H 2 0 + 4OH - + O 2 0 + 2H 2 O

Сокращая 2H 2 O и ионы OH - , получаем итоговое уравнение электролиза:
2H 2 O → 2H 2 + O 2 .

Вывод:
При электролизе растворов 1) кислородсодержащих кислот;
2) щелочей;
3) солей активных металлов и кислородсодержащих кислот
на электродах протекает электролиз воды:
2H 2 O → 2H 2 + O 2 .