Номер 223, страница 325 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.223. При электролизе водного раствора соли на катоде и аноде выделился один и тот же газ. Что это за соль? Напишите уравнение электролиза.

Решение

Задача заключается в определении соли, при электролизе водного раствора которой на обоих электродах (катоде и аноде) выделяется один и тот же газ.

При электролизе водных растворов солей на электродах происходят процессы восстановления (на катоде) и окисления (на аноде). В этих процессах могут участвовать как ионы соли (катионы и анионы), так и молекулы воды.

Рассмотрим стандартные случаи электролиза, чтобы понять, почему эта задача является нетривиальной:

• Соль активного металла и кислородсодержащей кислоты (например, $K_2SO_4$). На катоде восстанавливается вода с выделением водорода ($H_2$), на аноде окисляется вода с выделением кислорода ($O_2$). Газы разные.
• Соль активного металла и бескислородной кислоты (например, $KBr$). На катоде восстанавливается вода с выделением водорода ($H_2$), на аноде окисляются галогенид-ионы с выделением галогена ($Br_2$). Продукты разные (газ и жидкость).
• Соль неактивного металла и кислородсодержащей кислоты (например, $CuSO_4$). На катоде восстанавливаются катионы металла с его осаждением ($Cu$), на аноде окисляется вода с выделением кислорода ($O_2$). Выделяется только один газ.

Как видно из примеров, в стандартных случаях на катоде и аноде выделяются разные вещества. Образование водорода ($H_2$) является процессом восстановления и происходит на катоде, а образование кислорода ($O_2$) — процессом окисления и происходит на аноде. Следовательно, один и тот же газ не может быть ни водородом, ни кислородом.

Это означает, что искомая соль должна содержать и катион, и анион, которые способны образовывать один и тот же газообразный продукт в результате процессов окисления и восстановления соответственно. Таким газом может быть азот ($N_2$). Азот может быть получен как окислением иона с азотом в низкой степени окисления, так и восстановлением иона с азотом в высокой степени окисления.

Солью, удовлетворяющей данным условиям, является нитрит аммония ($NH_4NO_2$). В этой соли катион аммония ($NH_4^+$) содержит азот в степени окисления -3 и может быть окислен на аноде до свободного азота ($N_2$). В то же время нитрит-анион ($NO_2^-$) содержит азот в степени окисления +3 и может быть восстановлен на катоде также до свободного азота ($N_2$).

Ответ: Этой солью является нитрит аммония ($NH_4NO_2$).

Процессы, протекающие на электродах при электролизе водного раствора нитрита аммония:

На катоде (отрицательном электроде) происходит процесс восстановления нитрит-ионов до азота:

Катод (-): $2NO_2^{-} + 8H^{+} + 6e^{-} \rightarrow N_2 \uparrow + 4H_2O$

На аноде (положительном электроде) происходит процесс окисления ионов аммония до азота:

Анод (+): $2NH_4^{+} - 6e^{-} \rightarrow N_2 \uparrow + 8H^{+}$

Протоны ($H^+$), образующиеся на аноде, расходуются в реакции на катоде. Сложив уравнения для катода и анода, получим суммарное ионное уравнение:

$2NH_4^{+} + 2NO_2^{-} \rightarrow 2N_2 \uparrow + 4H_2O$

Суммарное уравнение электролиза в молекулярном виде (после сокращения коэффициентов):

$NH_4NO_2 \xrightarrow{электролиз} N_2 \uparrow + 2H_2O$

Ответ: Суммарное уравнение электролиза: $NH_4NO_2 \xrightarrow{электролиз} N_2 \uparrow + 2H_2O$.