Номер 10, страница 33 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 6. Фтор, бром, иод и их соединения. Глава 1. Неметаллы - номер 10, страница 33.

Условие.

10. Можно ли фтор получить аналогично хлору — электролизом водного раствора фторида натрия? Почему? Как получают фтор?

Решение.

Решение 2.

Можно ли фтор получить аналогично хлору — электролизом водного раствора фторида натрия?

Нет, получить фтор электролизом водного раствора фторида натрия или любого другого фторида невозможно.

Ответ: Нельзя.

Почему?

Причина заключается в электрохимических свойствах воды и фторид-иона. При электролизе водного раствора в нем присутствуют как минимум два вещества, способные окисляться на аноде: анионы соли (в данном случае $F^-$) и молекулы воды ($H_2O$).

Процесс окисления пойдет по тому пути, который требует меньшей затраты энергии, то есть для которого стандартный электродный потенциал ниже.

Сравним потенциалы для двух конкурирующих реакций на аноде:

1. Окисление фторид-ионов с образованием фтора: $2F^- - 2e^- \rightarrow F_2$. Стандартный электродный потенциал этой полуреакции очень высок: $E^0(F_2/F^-) = +2,87 \text{ В}$.

2. Окисление воды с образованием кислорода: $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$. Стандартный электродный потенциал этой полуреакции значительно ниже: $E^0(O_2/H_2O) = +1,23 \text{ В}$.

Поскольку потенциал окисления воды ($+1,23 \text{ В}$) намного ниже, чем потенциал окисления фторид-ионов ($+2,87 \text{ В}$), на аноде будет происходить электролиз воды с выделением кислорода, а не фтора. Фтор — самый электроотрицательный элемент, и его ион $F^-$ является чрезвычайно слабым восстановителем, который очень трудно окислить.

Более того, если бы даже удалось получить молекулярный фтор в водном растворе, он бы немедленно и бурно прореагировал с водой по уравнению:

$2F_2 + 2H_2O \rightarrow 4HF + O_2$

Таким образом, при электролизе водного раствора фторида натрия на катоде будет выделяться водород (из воды), а на аноде — кислород (из воды), в то время как фторид натрия будет оставаться в растворе, лишь повышая его электропроводность.

Ответ: Получить фтор этим способом невозможно, потому что стандартный электродный потенциал окисления воды ($+1,23 \text{ В}$) значительно ниже, чем у фторид-ионов ($+2,87 \text{ В}$), поэтому при электролизе на аноде будет выделяться кислород, а не фтор.

Как получают фтор?

Из-за невозможности использования водных растворов, для получения фтора применяют электролиз безводных расплавов фторидов. Промышленный метод, используемый и по сей день, был разработан французским химиком Анри Муассаном в 1886 году.

Метод заключается в электролизе расплава гидрофторида калия, имеющего примерный состав $KF \cdot 2HF$ (часто записывают как $KHF_2$), при температуре около $70–130 \text{ °C}$.

Чистый фтороводород ($HF$) является диэлектриком (не проводит ток). Добавление фторида калия ($KF$) приводит к образованию ионов ($K^+$ и $HF_2^-$) и обеспечивает необходимую электропроводность расплава, а также снижает его температуру плавления и давление паров $HF$.

Электролиз проводят в стальных или медных электролизерах, которые служат катодом. В качестве анода используют стержни из непористого графита.

Процессы, протекающие на электродах:

На катоде (–) происходит восстановление водорода: $2HF_2^- + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 4F^-$

На аноде (+) происходит окисление фтора: $2F^- - 2e^- \rightarrow F_2 \uparrow$

Суммарное уравнение реакции выглядит следующим образом:

$2HF \xrightarrow{\text{электролиз в расплаве KF}} H_2 \uparrow \text{(на катоде)} + F_2 \uparrow \text{(на аноде)}$

Производство фтора — чрезвычайно сложный и опасный технологический процесс, так как и исходный фтороводород, и конечный продукт фтор являются крайне токсичными и химически агрессивными веществами.

Ответ: Фтор получают электролизом расплава гидрофторида калия ($KHF_2$) в безводном фтороводороде.