Условие задачи

Щелочные и щелочноземельные металлы получают электролизом расплавов их солей. Почему эти метилы нельзя получить электролизом растворов солей? Что является в таких реакциях восстановителем?

Решение

Нам дана задача по неорганической химии, а именно по электрохимии. Рассмотрим её по частям.

1. Почему щелочные (и щелочноземельные) металлы нельзя получить электролизом растворов их солей?

При электролизе расплава соли (без воды) на катоде происходит следующее восстановление:
M⁺ + e⁻ → M (металл)
а на аноде – окисление аниона, например, для хлорида:
2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻

Однако, если попробовать выполнить электролиз раствора соли в воде, на катоде кроме возможного восстановления катионов присутствует и восстановление водных молекул. Стандартный электродный потенциал восстановления для воды (образование водорода) гораздо более благоприятен, чем для M⁺, особенно когда речь идет о щелочных металлах, у которых потенциал восстановления крайне отрицателен (например, для Na⁺ это примерно –2,71 В). Это означает, что при электролизе водного раствора сначала будет восстанавливаться вода по реакции

2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻

а не катионы металла. Более того, если каким‑либо способом на катоде всё же образовался бы щелочной металл, он моментально реагировал бы с водой, превращаясь в гидроксид и выделяя водород (например, натрий с водой):
2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂

Таким образом, получение щелочных и щелочноземельных металлов возможно только при электролизе расплавов солей, где отсутствует вода, и нежелательные реакции с ней исключены.

2. Что является в таких реакциях восстановителем?

В реакциях электролиза расплавов соли происходит восстановление катионов металла за счет электронов, которые выделяются в результате окисления анионов на аноде. По определению, восстановитель – это вещество, которое само окисляется, отдавая электроны и тем самым обеспечивает восстановление другого вещества. В данной схеме:

на аноде: 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻
на катоде: Na⁺ + e⁻ → Na

анион хлорида (Cl⁻) отдает электроны, превращаясь в молекулярный хлор, и, таким образом, является восстановителем, поскольку именно он «передаёт» электроны, необходимые для восстановления Na⁺ до металлического Na.

Итого, отвечая на поставленные вопросы:
• Щелочные и щелочноземельные металлы нельзя получить электролизом растворов их солей, потому что в водном растворе вместо восстановления катиона происходит восстановление воды (образуется водород), а получившийся металл, будучи чрезвычайно реакционноспособным, немедленно вступает в реакцию с водой.
• В таких реакциях восстановителем является анион соли (например, Cl⁻ в расплаве NaCl), который окисляется (отдавая электроны) с образованием соответствующего элемента (например, Cl₂), а полученные электроны используются для восстановления катионов до металла.