Номер 65, страница 234 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

8.65. Почему при электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите алюминий выделяется на катоде?

При электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите алюминий выделяется на катоде в результате электрохимического процесса восстановления. Рассмотрим этот процесс подробно.

В промышленном методе получения алюминия (процесс Холла-Эру) используется электролиз раствора глинозема (чистого оксида алюминия, $Al_2O_3$) в расплаве криолита ($Na_3AlF_6$). Криолит выступает в роли растворителя, который позволяет проводить процесс при более низкой температуре (около 950-1000 °C) по сравнению с температурой плавления чистого оксида алюминия (более 2000 °C).

В этом расплаве (электролите) оксид алюминия и криолит диссоциируют на ионы. Хотя точный ионный состав расплава сложен и включает различные комплексные ионы, для понимания основного процесса можно считать, что в электролите присутствуют катионы (положительно заряженные ионы) $Al^{3+}$ и $Na^{+}$, а также анионы (отрицательно заряженные ионы), в основном кислородсодержащие (из $Al_2O_3$) и фторсодержащие (из $Na_3AlF_6$).

Электролиз происходит в электролизере, где есть два типа электродов:

• Катод – отрицательный электрод.
• Анод – положительный электрод.

Процессы на катоде:
Катод, имея отрицательный заряд, притягивает к себе положительно заряженные катионы: $Al^{3+}$ и $Na^{+}$. На катоде происходит процесс восстановления – присоединение электронов.

Возможны два процесса восстановления:

1. Восстановление ионов алюминия: $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$
2. Восстановление ионов натрия: $Na^{+} + e^- \rightarrow Na$

Согласно положению металлов в электрохимическом ряду напряжений, алюминий является менее активным металлом, чем натрий. Это означает, что ионы алюминия ($Al^{3+}$) имеют больший электродный потенциал и восстанавливаются легче (требуют меньших затрат энергии), чем ионы натрия ($Na^{+}$). Поэтому на катоде преимущественно происходит восстановление ионов алюминия до металлического алюминия, который в условиях процесса является жидким и скапливается на дне электролизера.

Процессы на аноде:
К положительно заряженному аноду движутся анионы. На аноде происходит окисление ионов кислорода $O^{2-}$ (из оксида алюминия) с образованием молекулярного кислорода: $2O^{2-} - 4e^- \rightarrow O_2$

Выделившийся кислород затем реагирует с материалом анода (углеродом), что приводит к его расходованию: $C + O_2 \rightarrow CO_2$

Ответ: Алюминий выделяется на катоде, потому что катод – это отрицательно заряженный электрод, к которому притягиваются положительно заряженные ионы алюминия ($Al^{3+}$). В условиях электролиза ионы алюминия восстанавливаются (принимают электроны) легче, чем другие присутствующие в расплаве катионы (например, $Na^{+}$), в результате чего на катоде образуется чистый металлический алюминий по реакции $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$.