Номер 2, страница 228 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 6. Окислительно-восстановительные процессы. Параграф 31. Электролиз - номер 2, страница 228.

Условие.

2. Сформулируйте правила очерёдности разрядки катионов и анионов для электролиза растворов.

Решение.

Решение 2.

Решение

При электролизе водных растворов электролитов на электродах могут разряжаться (окисляться или восстанавливаться) не только ионы электролита, но и молекулы воды, которые также присутствуют в системе. Очерёдность этих процессов определяется положением катиона металла в электрохимическом ряду напряжений и природой аниона.

Правила очерёдности разрядки катионов на катоде

На катоде (отрицательно заряженном электроде) происходит процесс восстановления. За право восстановиться конкурируют катионы металла ($Me^{n+}$), катионы водорода ($H^+$) (в растворах кислот) и молекулы воды. Правило определяется активностью металла:

• 1. Катионы активных металлов (от Li до Al включительно в ряду напряжений):
  Эти катионы не восстанавливаются из водных растворов. Вместо них происходит восстановление молекул воды с выделением газообразного водорода:
  $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$
• 2. Катионы металлов средней активности (между Al и H₂ в ряду напряжений, например, Zn, Fe, Ni, Pb):
  Происходит одновременное восстановление как катионов металла, так и молекул воды. На катоде выделяется и металл, и водород:
  $Me^{n+} + ne^- \rightarrow Me^0$
  $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$
• 3. Катионы неактивных металлов (стоящие в ряду напряжений после H₂, например, Cu, Ag, Hg, Au):
  Восстанавливаются только катионы металла, так как они являются более сильными окислителями, чем молекулы воды:
  $Me^{n+} + ne^- \rightarrow Me^0$
• 4. Катионы водорода $H^+$ (в растворах кислот):
  В кислой среде преимущественно восстанавливаются ионы водорода:
  $2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow$

Правила очерёдности разрядки анионов на аноде

На аноде (положительно заряженном электроде) происходит процесс окисления. Очерёдность разрядки зависит от материала анода и природы аниона.

А. При использовании инертного (нерастворимого) анода (например, из графита, платины):

• 1. Анионы бескислородных кислот (галогенид-ионы $Cl^-$, $Br^-$, $I^-$, а также сульфид-ион $S^{2-}$):
  Они окисляются легче, чем вода, поэтому на аноде происходит их разрядка с образованием простых веществ:
  $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2 \uparrow$
  $S^{2-} - 2e^- \rightarrow S$
• 2. Анионы кислородсодержащих кислот ($SO_4^{2-}$, $NO_3^-$, $PO_4^{3-}$ и др.) и фторид-ион ($F^-$):
  Эти анионы очень устойчивы к окислению и в водных растворах не разряжаются. Вместо них окисляются молекулы воды (в нейтральной или кислой среде) или гидроксид-ионы (в щелочной среде) с выделением кислорода:
  В нейтральной/кислой среде: $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$
  В щелочной среде: $4OH^- - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 2H_2O$

Б. При использовании активного (растворимого) анода (например, из меди, цинка, никеля):

Независимо от природы аниона в растворе, окисляется сам материал анода (процесс анодного растворения), так как это энергетически более выгодно, чем окисление анионов или воды. Например, для медного анода:
$Cu^0 - 2e^- \rightarrow Cu^{2+}$

Ответ: Правила очерёдности разрядки ионов при электролизе водных растворов следующие. На катоде: катионы активных металлов (до Al) не восстанавливаются, вместо них восстанавливается вода с выделением $H_2$; катионы металлов средней активности (между Al и H) восстанавливаются одновременно с водой (выделяются $\text{Me}$ и $H_2$); катионы неактивных металлов (после H) восстанавливаются преимущественно, осаждаясь в виде металла $\text{Me}$. На инертном аноде: анионы бескислородных кислот (кроме $F^−$) окисляются до простых веществ; анионы кислородсодержащих кислот и $F^−$ не окисляются, вместо них окисляется вода с выделением $O_2$. На активном аноде: окисляется сам материал анода.