Номер 3, страница 83 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Проверьте свои знания. Параграф 15. Электролиз расплавов и растворов. Практическое применение электролиза. Глава II. Химические реакции - номер 3, страница 83.

Условие.

3. Какие металлы и неметаллы — простые вещества можно получить только с помощью электролиза? Почему?

Решение.

Решение 2.

Какие металлы и неметаллы — простые вещества можно получить только с помощью электролиза?

К простым веществам, которые в промышленности получают исключительно или преимущественно методом электролиза, относятся:

• Металлы: Наиболее активные металлы — щелочные (IА группа: литий $Li$, натрий $Na$, калий $K$ и др.), щелочноземельные (IIА группа: магний $Mg$, кальций $Ca$, стронций $Sr$, барий $Ba$), а также алюминий $Al$.
• Неметаллы: Самый активный неметалл — фтор $F_2$.

Ответ: Только с помощью электролиза получают щелочные металлы ($Li, Na, K...$), щелочноземельные металлы ($Mg, Ca, Sr, Ba$), алюминий ($Al$) и фтор ($F_2$).

Почему?

Причина, по которой эти вещества получают только электролизом, заключается в их экстремальных химических свойствах, связанных с их положением в периодической системе и в электрохимическом ряду активностей.

Металлы

Перечисленные металлы обладают очень высокой химической активностью. Они являются сильнейшими восстановителями. В электрохимическом ряду напряжений они занимают крайние левые позиции, что соответствует очень низким (большим по модулю отрицательным) значениям стандартных электродных потенциалов (например, $E^0(Na^+/Na) = -2.71$ В, $E^0(Al^{3+}/Al) = -1.66$ В). Это приводит к двум следствиям:

1. Их невозможно восстановить из соединений (оксидов, солей) с помощью стандартных химических восстановителей, таких как уголь ($C$), угарный газ ($CO$), водород ($H_2$) или менее активные металлы. Любой из этих восстановителей является более слабым, чем сами активные металлы.
2. При попытке провести электролиз водных растворов их солей на катоде вместо металла будет восстанавливаться вода с выделением водорода: $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$. Это происходит потому, что потенциал восстановления воды (около $-0.83$ В при pH=7) значительно выше (менее отрицателен), чем потенциал восстановления ионов этих металлов, и процесс восстановления воды является энергетически более выгодным.

Поэтому единственным промышленным способом получения этих металлов является электролиз расплавов их соединений (обычно хлоридов или фторидов, а для алюминия — оксида в расплаве криолита), где отсутствуют молекулы воды, способные конкурировать в процессе восстановления.

Неметалл (фтор)

Фтор является самым электроотрицательным элементом и, соответственно, самым сильным окислителем среди всех химических элементов. Стандартный электродный потенциал для пары $F_2/2F^-$ является самым высоким и составляет $+2.87$ В.
Это означает, что анион фтора, фторид-ион $F^-$, является чрезвычайно устойчивым и его крайне сложно окислить (заставить отдать электрон). Не существует ни одного химического вещества-окислителя, которое было бы сильнее фтора и смогло бы отобрать у фторид-иона электрон.
Единственный способ осуществить окисление фторид-ионов — это принудительное "отнятие" электронов под действием электрического тока на аноде в процессе электролиза. Промышленно фтор получают электролизом расплава смеси фторида и гидрофторида калия ($KF \cdot nHF$).

Ответ: Данные металлы являются настолько сильными восстановителями, а фтор — настолько сильным окислителем, что не существует химических реагентов для их получения из соединений стандартными химическими методами (металлотермией, карботермией или химическим окислением). Электролиз является единственным методом, способным предоставить необходимую энергию для принудительного проведения этих сложных окислительно-восстановительных реакций.