Электролиз расплавов и растворов

Раствор сульфата меди и раствор сульфата натрия под током дают на катоде разное: в первом выделяется металл, во втором водород. Ученик, у которого электролиз выучен как набор готовых продуктов по списку солей, этого не объяснит и на третьей соли собьётся. Ему нужны два вопроса, а не список: какой катион стоит в соли и какой анион. Остальное достраивается из двух полуреакций, и ровно в их записи теряют баллы.

Три темы про ионы в растворе идут цепочкой и в учебнике лежат рядом, но в каждой с ионом происходит своё. В диссоциации ион возникает, когда вещество растворяется. В гидролизе он вступает в обмен с водой, и решает слабость основания или кислоты. В электролизе он получает или отдаёт электроны на электроде под действием тока, то есть участвует в окислительно-восстановительной реакции, которую ток навязывает силой; поэтому исход решают ряд напряжений и тип аниона, а сила кислоты тут ничего не определяет. Чем отличаются окислитель и восстановитель, разобрано в статье об окислительно-восстановительных реакциях, и без этого полуреакции записываются по памяти, а не по смыслу.

Катод: что восстанавливается

К катоду идут катионы (отсюда и название), и на нём идёт восстановление: электроны принимаются. Если электролизу подвергается расплав, выбора нет, восстанавливается катион соли: Na(+) + e = Na. В растворе рядом с катионом есть вода, и исход определяет положение металла в ряду напряжений.

Металлы от лития до алюминия включительно из раствора на катоде не выделяются, восстанавливается вода: 2H2O + 2e = H2 + 2OH(-). Металлы после водорода (медь, ртуть, серебро и дальше) выделяются сами, водород при этом не выходит. У металлов между алюминием и водородом (марганец, цинк, железо, никель, олово, свинец) выделяются и металл, и водород одновременно, и в школьных записях обычно пишут оба процесса, если условие не уточняет. Если в растворе смесь двух солей, первым на катоде восстанавливается менее активный металл: из раствора, где есть Cu(2+) и Zn(2+), сначала осядет медь, а серебро выделится раньше меди. Среди анионов порядок похожий: иодид окисляется раньше бромида, бромид раньше хлорида, и все они раньше воды. Сам ряд напряжений на экзамене выдаётся, но «до алюминия» и «после водорода» нужно помнить без него, иначе каждое задание начинается с поиска по справочнику.

Анод: что окисляется

К аноду идут анионы, и на нём идёт окисление: электроны отдаются. Тут существенно, из чего сделан анод. Инертный электрод (графит, платина) сам не участвует, и окисляется анион или вода. Если в условии о материале анода ничего не сказано, электроды считают инертными. Растворимый электрод (медь, никель, цинк) растворяется сам: Cu - 2e = Cu(2+), и анионов это не касается.

Растворимый анод объясняет очистку меди: неочищенная медь служит анодом в растворе сульфата меди, растворяется, а на катоде оседает чистая, и состав раствора почти не меняется. Задание на такую схему держится на одном вопросе, участвует ли электрод в реакции, и ученик, пропустивший слово «медный» или «графитовый» в условии, пишет полуреакцию для воды.

На инертном аноде анионы бескислородных кислот, хлорид, бромид, иодид, сульфид, окисляются сами: 2Cl(-) - 2e = Cl2. Исключение из бескислородных одно, фторид, он окисляться не хочет, и вместо него окисляется вода. Кислородсодержащие анионы (сульфат, нитрат, карбонат, фосфат) на аноде в растворе не меняются, окисляется вода: 2H2O - 4e = O2 + 4H(+). В щелочной среде записывают через гидроксид-ион: 4OH(-) - 4e = O2 + 2H2O. Отдельный случай, который встречается в органике: ацетат-ион окисляется сам, 2CH3COO(-) - 2e = C2H6 + 2CO2.

Случаи, на которых видно всё

Ниже электроды названы в том порядке, в каком их стоит писать, и числа электронов выровнены:

• Расплав NaCl: катод 2Na(+) + 2e = 2Na, анод 2Cl(-) - 2e = Cl2; суммарно 2NaCl = 2Na + Cl2
• Раствор NaCl: катод 2H2O + 2e = H2 + 2OH(-), анод 2Cl(-) - 2e = Cl2; суммарно 2NaCl + 2H2O = H2 + Cl2 + 2NaOH
• Раствор CuSO4: катод 2Cu(2+) + 4e = 2Cu, анод 2H2O - 4e = O2 + 4H(+); суммарно 2CuSO4 + 2H2O = 2Cu + O2 + 2H2SO4
• Раствор Na2SO4: катод 4H2O + 4e = 2H2 + 4OH(-), анод 2H2O - 4e = O2 + 4H(+); суммарно 2H2O = 2H2 + O2
• Раствор HCl: катод 2H(+) + 2e = H2, анод 2Cl(-) - 2e = Cl2; суммарно 2HCl = H2 + Cl2

В расплаве хлорида натрия воды нет, и получаются сами элементы. В растворе хлорида натрия ион натрия на катоде не восстанавливается, потому что стоит левее алюминия, вместо него идёт вода, и у катода накапливается щёлочь. На аноде выходит хлор, хотя вода рядом. В растворе сульфата меди металл выделяется на катоде, а анод остаётся за водой, и у анода копится серная кислота. Раствор сульфата натрия самый обманчивый: ни металл, ни кислородсодержащий анион сами не реагируют, и под током разлагается вода, а соль только повышает электропроводность и к концу опыта становится концентрированнее.

Кислоты и щёлочи ложатся в ту же схему. Из раствора кислородсодержащей кислоты или щёлочи опять разлагается вода, как в случае сульфата натрия. Раствор соляной кислоты даёт водород и хлор, и в катодной записи вместо воды стоит ион водорода: он сам принимает электрон, воду привлекать не нужно.

Что происходит со средой у электродов

Бывает вопрос «как изменится pH раствора», и отвечать на него удобно по уже написанным полуреакциям. Где на катоде образуется OH(-), там накапливается щёлочь, среда ближе к щелочной: так в растворе хлорида натрия, и pH общего раствора растёт. Где на аноде образуется H(+), накапливается кислота: так в растворе сульфата меди, и pH падает. Если разлагается только вода, как в сульфате натрия, то у катода щёлочь, у анода кислота, и в перемешанном растворе pH остаётся почти прежним. Ученик, который отвечает по привычке «растёт» или «падает», проверяет себя по одному признаку: что накапливается в растворе в итоге.

Где теряют балл по записи

Электроды путают реже, чем электроны. Типичная потеря: полуреакции записаны правильно, а при сложении числа электронов не выровнены, и в суммарное уравнение переносится нечётный водород или кислород. Проверка простая: сумма электронов в катодной полуреакции должна равняться сумме в анодной до сложения, и если на катоде записано два, а на аноде четыре, катодную нужно умножить на два целиком, вместе с коэффициентами у всех веществ.

Вторая потеря: электроны ставят не по ту сторону. На катоде они принимаются и стоят слева, на аноде отдаются, и их записывают либо справа, либо вычитают слева, как здесь. Заряды слева и справа тоже должны сходиться: 2Cu(2+) + 4e = 2Cu, слева плюс четыре и минус четыре, справа ноль. Третья: в растворе пишут Na(+) + e = Na, потому что «натрий же выделяется». Четвёртая: окисляют сульфат-ион, потому что «он же стоит на аноде». Обе исчезают после двух вопросов в начале: где металл относительно алюминия и есть ли кислород в анионе.

Объёмы газов тоже читаются прямо из суммарного уравнения: в растворе хлорида натрия водорода и хлора получается поровну, при разложении воды водорода вдвое больше, чем кислорода, и ученик, который помнит об этом, проверяет себя до всякого расчёта. Расчёты по электролизу решаются через число электронов: на моль меди нужно два моля электронов, на моль кислорода четыре. Поэтому полуреакции полезно писать и тогда, когда просят только суммарное уравнение: отсюда считается всё остальное. Типичная связка выглядит так: при электролизе раствора сульфата меди на аноде выделилось 5,6 л кислорода (при нормальных условиях), сколько меди осело на катоде. Количество кислорода 5,6 / 22,4 = 0,25 моль, по уравнению меди вдвое больше, 0,5 моль, масса 0,5 · 64 = 32 г. Кто считает меди столько же, сколько кислорода, не выровнял электроны: молекула O2 на аноде отдаёт четыре электрона, а каждый ион меди на катоде принимает два, так что меди выходит вдвое больше, и в суммарном уравнении перед ней двойка. Промышленное применение этих же правил хорошо видно на получении алюминия: его выделяют электролизом расплава оксида, 2Al2O3 = 4Al + 3O2, и водный раствор тут бесполезен, потому что на катоде восстанавливалась бы вода. Подробнее про металлы и их соединения — в статье о металлах и их соединениях.

Что с темой делать до экзамена

Электролиз проходится в старших классах, после ряда напряжений металлов и окислительно-восстановительных реакций, и к экзамену забывается из-за двух зависимостей сразу: нужны и ряд напряжений, и электронный баланс, а они лежат в разных главах. Отдельного повторения тема обычно не получает, потому что кажется частным случаем окислительно-восстановительных реакций.

Практика у этой темы простая и скучная: десяток пар «катион плюс анион» из таблицы растворимости, и для каждой пары, не заглядывая в учебник, назвать продукт на катоде и на аноде в растворе и в расплаве, а потом сверить. Когда тема не идёт совсем, начинать разумно с расплавов. Воды там нет, выбора на электродах нет, и ученик учится писать полуреакции с электронами в чистом виде. Потом идёт раствор с инертным анодом, потом с растворимым. Порядок школьных тем собран в статье о порядке изучения школьной химии, а то, как электролиз попадает в варианты, — в разборе структуры экзамена по химии и в статье о второй части экзамена. Формулировки заданий на электролиз лучше брать из демоверсии экзамена 2027 года, а не из прошлогодних сборников: состав заданий мог измениться.

Начать поиск:

• репетиторы по химии
• подготовка к ЕГЭ по химии
• репетиторы с пробным занятием

Вопросы и ответы

Какой электрод положительный? При электролизе анод положительный, катод отрицательный. В гальваническом элементе наоборот, поэтому в задании на элемент знаки меняются.

Почему при электролизе раствора NaCl не получается металлический натрий? Натрий слишком активен: в растворе вместо него восстанавливается вода, ион натрия остаётся в растворе, а у катода образуется щёлочь. Металлический натрий получают электролизом расплава.

Что будет, если анод медный, а не графитовый? Растворится сам анод. Окисляется медь, вода и анион остаются нетронутыми: Cu - 2e = Cu(2+), а на катоде тем временем осаждается металл.

Что получится при электролизе расплава гидроксида натрия? На катоде натрий, на аноде гидроксид-ионы окисляются до кислорода и воды: 4NaOH = 4Na + O2 + 2H2O. Воды в расплаве нет, но она появляется как продукт, и это сбивает.

Нужно ли запоминать продукты электролиза всех солей? Нет. Достаточно двух вопросов: где катион относительно алюминия и бескислородный ли анион, остальное выводится.