Номер 6, страница 75, часть 1 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

6. Может ли быть получен алюминий электролизом водного раствора его сульфата? Если да, то почему в промышленности подвергают электролизу не этот раствор, а раствор оксида алюминия в расплаве криолита?

Нет, получить металлический алюминий электролизом водного раствора его сульфата $Al_2(SO_4)_3$ невозможно. Это связано с положением алюминия в ряду стандартных электродных потенциалов.

В водном растворе сульфата алюминия присутствуют катионы алюминия $Al^{3+}$ и молекулы воды $H_2O$. На катоде (отрицательном электроде) происходит процесс восстановления. Конкурирующими процессами являются восстановление алюминия и восстановление воды:

1. Восстановление ионов алюминия: $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$ (стандартный электродный потенциал $E^0 = -1.66$ В)

2. Восстановление воды: $2H_2o + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$ (электродный потенциал при pH=7 $E \approx -0.83$ В)

Поскольку стандартный электродный потенциал восстановления воды значительно выше (менее отрицателен), чем у алюминия, на катоде будет преимущественно восстанавливаться вода с выделением газообразного водорода. Ионы алюминия останутся в растворе. Таким образом, вместо алюминия на катоде будет выделяться водород.

Именно по этой причине для получения активных металлов, таких как алюминий, используют электролиз их расплавленных соединений, а не водных растворов.

В промышленности алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия ($Al_2O_3$) в расплаве криолита ($Na_3AlF_6$). Причина, по которой не используют расплав чистого оксида алюминия, заключается в его чрезвычайно высокой температуре плавления (около 2072o C). Поддержание такой температуры требует огромных затрат энергии и делает процесс экономически невыгодным.

Криолит $Na_3AlF_6$ используется в качестве флюса (растворителя) по нескольким причинам:

1. Он значительно снижает температуру плавления смеси. Раствор оксида алюминия в криолите плавится при температуре около 950–1000o C, что делает процесс технически осуществимым и более дешевым.
2. Расплав криолита является хорошим ионным проводником, обеспечивая прохождение электрического тока.
3. Расплав криолита-глинозема имеет меньшую плотность, чем жидкий алюминий, поэтому получаемый металл скапливается на дне электролизера, откуда его легко удалять.

Процессы, протекающие при электролизе:

На катоде (графитовое дно ванны): $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$

На аноде (угольные блоки): $2O^{2-} - 4e^- \rightarrow O_2$. Выделяющийся кислород при высокой температуре реагирует с материалом анода: $C + O_2 \rightarrow CO_2$, что приводит к постепенному расходу анодов.

Ответ: Получить алюминий электролизом водного раствора его соли невозможно, так как алюминий — слишком активный металл, и вместо него из воды будет восстанавливаться водород. В промышленности используют электролиз раствора оксида алюминия в расплаве криолита, потому что криолит позволяет снизить рабочую температуру процесса с более чем 2000o C до 950-1000o C, что делает производство экономически целесообразным.