Номер 190, страница 118 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.190. При электролизе водного раствора соли карбоновой кислоты один и тот же газ выделился и на катоде, и на аноде. Запишите уравнение электролиза.

Решение

В задаче рассматривается электролиз водного раствора соли карбоновой кислоты. Условие заключается в том, что на катоде и на аноде выделяется один и тот же газ.

1. Процесс на катоде. При электролизе водных растворов солей, образованных катионами активных металлов (стоящих в ряду активности до алюминия), на катоде происходит восстановление молекул воды с выделением газообразного водорода. Будем считать, что соль образована именно таким металлом (например, Na, K).

Катод (-): $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$

Таким образом, газ, выделяющийся на катоде, – это водород ($H_2$).

2. Процесс на аноде. Согласно условию, на аноде должен выделяться тот же газ, то есть водород ($H_2$). При электролизе солей карбоновых кислот на аноде происходит окисление карбоксилат-аниона (реакция Кольбе) или воды. Окисление воды приводит к выделению кислорода ($O_2$), что не удовлетворяет условию.

Реакция Кольбе в общем виде для аниона $RCOO^-$:

$2RCOO^- - 2e^- \rightarrow R-R + 2CO_2 \uparrow$

Для того чтобы на аноде выделялся водород ($H_2$), необходимо, чтобы продуктом $R-R$ был $H_2$. Это возможно, если радикал $R$ представляет собой атом водорода ($H$). Анион, в котором $R = H$, – это формиат-ион $HCOO^-$. Он является анионом муравьиной кислоты ($HCOOH$).

Таким образом, электролизу подвергается водный раствор соли муравьиной кислоты (формиата).

Анод (+): $2HCOO^- - 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2CO_2 \uparrow$

На аноде выделяется и водород, и углекислый газ. Однако условие "один и тот же газ выделился и на катоде, и на аноде" выполнено, поскольку водород образуется на обоих электродах.

3. Суммарное уравнение. Запишем суммарное уравнение электролиза на примере формиата натрия ($HCOONa$).

Катод (-): $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$

Анод (+): $2HCOO^- - 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2CO_2 \uparrow$

Сложив уравнения полуреакций и добавив ионы натрия ($Na^+$), которые с образовавшимися гидроксид-ионами ($OH^-$) дадут щелочь, получим итоговое уравнение:

$2HCOONa + 2H_2O \xrightarrow{\text{электролиз}} 2NaOH + H_2 \uparrow (\text{на катоде}) + H_2 \uparrow (\text{на аноде}) + 2CO_2 \uparrow$

Или, объединив объемы выделившегося водорода:

$2HCOONa + 2H_2O \xrightarrow{\text{электролиз}} 2NaOH + 2H_2 \uparrow + 2CO_2 \uparrow$

Ответ: Условию задачи удовлетворяет электролиз водного раствора соли муравьиной кислоты (формиата) и активного металла, например, формиата натрия. Уравнение электролиза: $2HCOONa + 2H_2O \xrightarrow{\text{электролиз}} 2NaOH + 2H_2 \uparrow + 2CO_2 \uparrow$.