Электролиз растворов и расплавов солей
Электролиз — окислительно-восстановительный процесс, который идёт на электродах, когда через раствор или расплав электролита пропускают постоянный электрический ток. На катоде (−) катионы или молекулы воды принимают электроны и восстанавливаются, на аноде (+) анионы или вода отдают электроны и окисляются. Ниже — электролиз расплавов и растворов, правила для катода и анода, схемы для NaCl, CuSO₄, CuCl₂ и воды и применение электролиза.
Что такое электролиз: катод и анод
В растворе или расплаве электролит распадается на ионы, которые движутся хаотично. Если опустить в него два электрода и подключить источник постоянного тока, движение становится направленным: катионы идут к отрицательному электроду — катоду, анионы к положительному — аноду. О распаде на ионы — на странице электролитическая диссоциация.
- Катод (−) отдаёт электроны частицам раствора — на нём всегда идёт восстановление.
- Анод (+) забирает электроны — на нём всегда идёт окисление.
Запомнить помогает созвучие: катионы идут к катоду, анионы — к аноду. Число электронов, принятых на катоде, равно числу отданных на аноде, — по этому правилу составляют суммарное уравнение, как в любой окислительно-восстановительной реакции.
Электроды бывают инертные (графит, платина) — они сами в реакции не участвуют, и растворимые (медь, никель, цинк) — такой анод окисляется сам. Если в задаче не сказано иное, электроды считают инертными.
Электролиз расплавов
В расплаве нет воды, поэтому на электродах разряжаются только ионы самого вещества. Схема электролиза расплава хлорида натрия:
NaCl → Na⁺ + Cl⁻
K(−): Na⁺ + 1e⁻ → Na⁰
A(+): 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂⁰
Суммарно: 2NaCl → 2Na + Cl₂↑ электролиз расплава. Так в промышленности получают натрий; чтобы снизить температуру плавления, к хлориду натрия добавляют хлорид кальция.
Из расплава щёлочи на аноде окисляются гидроксид-ионы: 4OH⁻ − 4e⁻ → O₂↑ + 2H₂O, суммарно 4NaOH → 4Na + O₂↑ + 2H₂O электролиз расплава. Именно так в начале XIX века Г. Дэви впервые получил калий и натрий.
Алюминий получают электролизом оксида алюминия, растворённого в расплавленном криолите: сам оксид плавится выше 2000 °C, а раствор в криолите работает примерно при 950 °C. На катоде Al³⁺ + 3e⁻ → Al⁰, упрощённое суммарное уравнение — 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂↑ электролиз расплава в криолите.
Металлы, стоящие в ряду активности до алюминия включительно, получают электролизом расплавов: из водных растворов вместо них на катоде выделяется водород.
Электролиз растворов: правила для катода и анода
В водном растворе у электродов, кроме ионов соли, есть молекулы воды, и они тоже могут восстанавливаться или окисляться. Что именно разрядится, определяют по двум правилам.
Катод (−): смотрим на металл в ряду активности
| Катион | Что выделяется | Полуреакция |
|---|---|---|
| Активные металлы: Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al | Водород, металл не выделяется | 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻ |
| Средней активности: Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb | Металл и водород одновременно | Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn⁰ и 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻ |
| Малоактивные: Cu, Hg, Ag, Pt, Au | Только металл | Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰ |
| Ионы водорода (растворы кислот) | Водород | 2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑ |
Анод (+): смотрим на анион
| Анион | Что выделяется | Полуреакция |
|---|---|---|
| Бескислородные: Cl⁻, Br⁻, I⁻, S²⁻ (кроме F⁻) | Галоген или сера | 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂↑ |
| Кислородсодержащие: SO₄²⁻, NO₃⁻, CO₃²⁻, PO₄³⁻, а также F⁻ | Кислород: окисляется вода | 2H₂O − 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺ |
| Гидроксид-ионы (растворы щелочей) | Кислород | 4OH⁻ − 4e⁻ → O₂↑ + 2H₂O |
| Любой анион, если анод растворимый (медь, никель) | Металл анода переходит в раствор | Cu⁰ − 2e⁻ → Cu²⁺ |
Где стоит металл, удобно смотреть на странице ряд активности металлов.
Схемы электролиза: NaCl, CuSO₄, CuCl₂ и вода
Раствор хлорида натрия
K(−): 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻ A(+): 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂↑
Суммарно: 2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑ электролиз раствора. Натрий активный, поэтому на катоде выделяется водород, а у катода накапливается щёлочь — фенолфталеин там становится малиновым. Из одного и того же вещества расплав и раствор дают разные продукты.
Раствор сульфата меди(II)
K(−): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰ (×2) A(+): 2H₂O − 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺
Суммарно: 2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂↑ + 2H₂SO₄ электролиз раствора. Катод покрывается красной медью, на аноде выделяется кислород, в растворе накапливается серная кислота. Голубая окраска постепенно бледнеет: ионов меди становится меньше.
Раствор хлорида меди(II)
K(−): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰ A(+): 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂↑
Суммарно: CuCl₂ → Cu + Cl₂↑ электролиз раствора. Здесь разряжаются оба иона соли, а вода не участвует — разлагается сама соль.
Вода (раствор сульфата натрия)
K(−): 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻ (×2) A(+): 2H₂O − 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺
Суммарно: 2H₂O → 2H₂↑ + O₂↑ электролиз раствора Na₂SO₄. Чистая вода почти не проводит ток, поэтому в неё добавляют сульфат натрия Na₂SO₄: ни ионы натрия, ни сульфат-ионы на электродах не разряжаются, и соль не расходуется. Водорода выделяется вдвое больше по объёму, чем кислорода. Тот же итог дают растворы щелочей и кислородсодержащих кислот, например серной.
В задачах к ЕГЭ встречаются ещё два случая: раствор иодида калия даёт водород и иод — 2KI + 2H₂O → 2KOH + H₂↑ + I₂, раствор нитрата серебра — серебро и кислород: 4AgNO₃ + 2H₂O → 4Ag + O₂↑ + 4HNO₃. Теория по заданиям — на странице ЕГЭ по химии.
Как составить схему электролиза
- Определите, расплав это или раствор. В расплаве разряжаются только ионы вещества, в растворе — ещё и вода.
- Запишите диссоциацию: какие катионы идут к катоду, какие анионы — к аноду.
- По ряду активности решите, что восстановится на катоде: металл, водород или оба.
- По типу аниона и материалу анода решите, что окислится: анион, вода или сам анод.
- Уравняйте число электронов в двух полуреакциях и сложите их.
- Соберите молекулярное уравнение: ионы, которые не разрядились, остаются в растворе и вместе с H⁺ или OH⁻ образуют кислоту или щёлочь.
Самопроверка: при электролизе раствора соли активного металла у катода среда становится щелочной, а в растворах солей кислородсодержащих кислот у анода — кислой.
Применение электролиза
- Получение активных металлов — натрия, кальция, магния, алюминия — электролизом расплавов.
- Хлор, водород и гидроксид натрия получают электролизом раствора поваренной соли — это крупное химическое производство.
- Рафинирование меди. Анод из неочищенной меди растворяется, на катоде оседает чистая медь, а примеси серебра и золота собираются на дне ванны в виде шлама.
- Гальванические покрытия: никелирование, хромирование, серебрение, золочение. Изделие делают катодом, и на нём оседает тонкий слой металла.
- Гальванопластика — точные металлические копии рельефных предметов.
- Чистые водород и кислород получают электролизом воды.
Реакции электролиза в справочнике
- 2H₂O → 2H₂↑ + O₂↑РазложенияОВРЭлектролизэл. ток
- 2NaCl → 2Na + Cl₂↑РазложенияОВРЭлектролизПроизводствоэл. ток (расплав)
- 2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑Другого типаОВРЭлектролизПроизводствоэл. ток (раствор)
- CuCl₂ → Cu + Cl₂↑РазложенияОВРЭлектролизэл. ток (раствор)
- 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂↑РазложенияОВРЭлектролизПроизводствоэл. ток (расплав в криолите)
- 2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂↑ + 2H₂SO₄Другого типаЭлектролизОВРэлектролиз раствора
- 2KI + 2H₂O → 2KOH + H₂↑ + I₂Другого типаЭлектролизОВРэлектролиз раствора
- 4AgNO₃ + 2H₂O → 4Ag + O₂↑ + 4HNO₃Другого типаЭлектролизОВРэлектролиз раствора
- 4NaOH → 4Na + O₂↑ + 2H₂OРазложенияЭлектролизОВРэлектролиз расплава
Электролиз в виртуальной лаборатории
Электролиза в виртуальной лаборатории пока нет: в ней нет источника тока и электродов. Но процессы, которые идут на катоде, можно увидеть в родственных опытах.
- Медь из раствора без тока. В опыте Железо и медный купорос на железе появляется красный налёт меди — идёт та же полуреакция, что на катоде при электролизе CuSO₄: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰. Только электроны даёт не источник тока, а более активное железо: Fe⁰ − 2e⁻ → Fe²⁺, суммарно Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.
- Остались ли ионы меди. Опыт Ионы меди(II) показывает качественную реакцию на Cu²⁺ — по ней проверяют, есть ли ещё медь в растворе.
- Щёлочь и водород, как у катода. В опыте Натрий и вода образуются те же продукты, что у катода при электролизе раствора NaCl, — водород и гидроксид натрия, и фенолфталеин становится малиновым.
В свободном режиме можно положить цинк в раствор медного купороса или медную проволоку в раствор нитрата серебра — металл тоже осаждается на поверхности из ионов. Об этих реакциях — в уроке «Реакции металлов с солями».
Проведите опыт онлайн
Эти опыты есть в виртуальной лаборатории: запустите прямо здесь или откройте на весь экран.
Железо и медный купорос
Железо в растворе медного купороса покрывается красной медью.
Ионы меди(II)
Щёлочь к раствору медного купороса — голубой осадок гидроксида меди(II).
Натрий и вода
Натрий в воде с фенолфталеином: плавает, шипит, раствор малиновый.
Читайте также
Частые вопросы
Что выделяется на катоде при электролизе раствора соли?
Зависит от металла. Для активных металлов (до алюминия включительно) — водород, для металлов средней активности — металл и водород, для металлов после водорода — только металл.
Чем электролиз расплава отличается от электролиза раствора?
В расплаве нет воды, и разряжаются только ионы вещества: из расплава NaCl получают натрий и хлор. В растворе может восстанавливаться или окисляться вода: из раствора NaCl получаются водород, хлор и гидроксид натрия.
Что выделяется на аноде при электролизе раствора CuSO₄?
Кислород. Сульфат-ион кислородсодержащий и на инертном аноде не окисляется, поэтому окисляется вода: 2H₂O − 4e⁻ → O₂ + 4H⁺. В растворе накапливается серная кислота.
Зачем при электролизе воды добавляют сульфат натрия?
Чистая вода почти не проводит ток. Сульфат натрия повышает электропроводность, а сам не расходуется: ионы натрия и сульфат-ионы на электродах не разряжаются.
Можно ли провести электролиз в виртуальной лаборатории?
Пока нет: источника тока и электродов в лаборатории нет. Восстановление меди из раствора можно увидеть в опыте с железом и медным купоросом — там электроны даёт железо, а не ток.