Номер 3, страница 228 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 6. Окислительно-восстановительные процессы. Параграф 31. Электролиз - номер 3, страница 228.

Условие.

3. Сравните электролиз растворов солей различного типа с инертными электродами и активными электродами. Какие продукты выделяются на катоде и аноде в каждом случае?

Решение.

Решение 2.

Электролиз растворов солей — это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании постоянного электрического тока через раствор. Продукты электролиза коренным образом зависят от материала электродов (инертные или активные), а также от природы катиона и аниона соли.

Электролиз растворов солей с инертными электродами

Инертные (нерастворимые) электроды (например, графитовые, платиновые) не участвуют в химических реакциях, а служат лишь проводниками электронов. Процессы на катоде и аноде определяются конкурирующими реакциями восстановления и окисления ионов из раствора и молекул воды.

Процессы на катоде (отрицательный электрод, восстановление):

На катоде конкурируют за восстановление катионы металла ($Me^{n+}$) и молекулы воды ($H_2O$). Исход зависит от положения металла в электрохимическом ряду активности:

1. Если соль образована активным металлом (от Li до Al включительно), то восстанавливаются молекулы воды, так как это энергетически выгоднее:

$2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$

На катоде выделяется водород.

2. Если соль образована металлом средней активности (между Al и H), то на катоде происходит одновременное восстановление и катионов металла, и молекул воды:

$Me^{n+} + ne^- \rightarrow Me$

$2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$

На катоде выделяются и металл, и водород.

3. Если соль образована неактивным металлом (после H), то восстанавливаются только катионы металла:

$Me^{n+} + ne^- \rightarrow Me$

На катоде выделяется чистый металл.

Процессы на аноде (положительный электрод, окисление):

На аноде конкурируют за окисление анионы кислотного остатка ($An^{m-}$) и молекулы воды ($H_2O$).

1. Если соль содержит анион кислородсодержащей кислоты ($SO_4^{2-}, NO_3^-, PO_4^{3-}$ и др.) или фторид-ион ($F^-$), то окисляются молекулы воды:

$2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$

На аноде выделяется кислород.

2. Если соль содержит анион бескислородной кислоты (кроме $F^-$), например, $Cl^-, Br^-, I^-, S^{2-}$, то окисляются сами анионы:

$2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2 \uparrow$

$2Br^- - 2e^- \rightarrow Br_2$

На аноде выделяется соответствующее простое вещество (галоген, сера и т.д.).

Ответ: При электролизе с инертными электродами на катоде выделяется водород, металл или их смесь (в зависимости от активности металла соли), а на аноде — кислород (для солей с кислородсодержащими анионами и фторидами) или продукт окисления аниона, например, галоген (для солей с бескислородными анионами).

Электролиз растворов солей с активными (растворимыми) электродами

Активные электроды (например, медные, цинковые, железные) сами могут участвовать в окислительно-восстановительном процессе. Это кардинально меняет процесс на аноде.

Процессы на катоде (отрицательный электрод, восстановление):

Процессы на катоде протекают точно так же, как и в случае с инертными электродами. Они по-прежнему определяются активностью металла, катион которого находится в растворе. Материал катода не имеет значения (если он не вступает в реакцию с продуктами).

Процессы на аноде (положительный электрод, окисление):

Главное отличие заключается в том, что на аноде происходит окисление самого материала анода. Этот процесс (анодное растворение) энергетически более выгоден, чем окисление воды или анионов.

$Me_{анод} - ne^- \rightarrow Me_{анод}^{n+}$

Таким образом, анод растворяется, и его ионы переходят в раствор. Газообразные продукты на аноде не выделяются. Этот процесс широко используется в гальванотехнике (рафинирование металлов, нанесение покрытий).

Пример: Электролиз раствора $CuSO_4$ с медным анодом.

На катоде: $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$ (медь — неактивный металл)

На аноде: $Cu - 2e^- \rightarrow Cu^{2+}$ (растворение медного анода)

В результате медь с анода переносится на катод, а концентрация соли в растворе практически не меняется.

Ответ: При электролизе с активным анодом на катоде продукты выделяются по тем же правилам, что и с инертным электродом. На аноде же происходит окисление (растворение) материала самого анода, в то время как анионы соли и вода в процессе не участвуют.