Условие задачи

Составьте схему электролиза: а) расплава гидроксида натрия; б) раствора гидроксида натрия; в) раствора серной кислоты. Напишите суммарные уравнения электролиза этих веществ.

Решение

Ниже приведён подробный разбор задачи по электрохимии. В задаче требуется составить схемы электролиза для трех веществ (расплава гидроксида натрия, раствора гидроксида натрия и раствора серной кислоты) с записью суммарных (общих) уравнений процессов.

При решении таких задач учитывают особенности реакций у катода и анода в зависимости от среды (расплав или водный раствор), поскольку потенциалы восстановления/окисления и термодинамическая устойчивость ионов определяют, какой именно вид реакции происходит.

─────────────────────────────
1. Электролиз расплава гидроксида натрия
─────────────────────────────
В расплаве гидроксида натрия (NaOH) ионы разделяются на положительно заряженные Na⁺ и отрицательно заряженные OH⁻. Так как вода отсутствует в виде свободной жидкости, в электролизе участвуют именно эти ионы.

На катоде происходит восстановление катионов. Реакция:
Na⁺ + e⁻ → Na (жидкий металл)

На аноде происходит окисление гидроксид-ионов, причем стандартно записывают реакцию в следующем виде:
4 OH⁻ → O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻

Чтобы уравнять число перепадаемых электронов, суммируем процессы:
— Умножим реакцию на катоде на 4:
4 Na⁺ + 4 e⁻ → 4 Na
— Суммируем с реакцией на аноде:
4 OH⁻ → O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻

При суммировании электроны сокращаются, получаем:
4 Na⁺ + 4 OH⁻ → 4 Na + O₂ + 2 H₂O

Заметим, что 4 Na⁺ + 4 OH⁻ – это и есть 4 NaOH (жидкий расплав). Поэтому суммарное уравнение электролиза расплава гидроксида натрия выглядит так:
4 NaOH (ж) → 4 Na (ж) + O₂ (г) + 2 H₂O (ж)

Важно понимать, что хотя в реакции образуется вода, она получается именно в результате окисления OH⁻. При этом металл натрий, будучи очень реакционноспособным, может в дальнейшем химически взаимодействовать с образовавшейся водой, однако суммарное уравнение отражает именно процессы на электродах.

─────────────────────────────
2. Электролиз раствора гидроксида натрия
─────────────────────────────
В водном растворе NaOH присутствует избыточное количество воды, и потенциалы восстановления Na⁺ слишком отрицательны, поэтому восстановление происходит у воды, а не Na⁺.

На катоде происходит восстановление воды:
2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ (г) + 2 OH⁻
(Это реакция получения водорода, она предпочтительна по сравнению с восстановлением Na⁺.)

На аноде всё так же происходит окисление гидроксид-ионов (которые образуются и из NaOH, и как продукт восстановления воды):
4 OH⁻ → O₂ (г) + 2 H₂O + 4 e⁻

Чтобы уравнять число электронов, умножим реакцию восстановления воды на 2:
4 H₂O + 4 e⁻ → 2 H₂ (г) + 4 OH⁻

Теперь при суммировании получаем:
4 H₂O + 4 e⁻ + 4 OH⁻ → 2 H₂ + 4 OH⁻ + (катод)
4 OH⁻ → O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ (анод)

Отметим, что 4 e⁻ и 4 OH⁻ встречаются с обеих сторон и сокращаются:
4 H₂O → 2 H₂ (г) + O₂ (г) + 2 H₂O

Сократим по 2 H₂O с обеих сторон, окончательно получаем:
2 H₂O (ж) → 2 H₂ (г) + O₂ (г)

Таким образом, суммарное уравнение электролиза раствора гидроксида натрия соответствует разложению воды, а NaOH действует как инертный электролит.

─────────────────────────────
3. Электролиз раствора серной кислоты
─────────────────────────────
В растворе серной кислоты (H₂SO₄) ионы H⁺ и бикарбонат-сульфат (или сульфат SO₄²⁻) присутствуют, но как правило, при электролизе кислых растворов преимущественно участвует вода.

На катоде в кислой среде происходит восстановление водородных ионов:
2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂ (г)

На аноде окисляется вода (так как окисление SO₄²⁻ к перманганатам не происходит из-за высокой потенциальной разницы):
2 H₂O → O₂ (г) + 4 H⁺ + 4 e⁻

Чтобы согласовать число электронов, умножаем реакцию на катоде на 2:
4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂ (г)

Складываем с реакцией на аноде:
2 H₂O → O₂ (г) + 4 H⁺ + 4 e⁻

При суммировании электроны и 4 H⁺ взаимно уничтожаются, получаем:
2 H₂O (ж) → 2 H₂ (г) + O₂ (г)

Таким образом, как и в случае с раствором NaOH, суммарное уравнение электролиза раствора серной кислоты соответствует разложению воды, при этом кислота остаётся химически неизменной.

─────────────────────────────
Выводы
─────────────────────────────

а) Для расплава гидроксида натрия:
4 NaOH (ж) → 4 Na (ж) + O₂ (г) + 2 H₂O (ж)

б) Для раствора гидроксида натрия:
2 H₂O (ж) → 2 H₂ (г) + O₂ (г)

в) Для раствора серной кислоты:
2 H₂O (ж) → 2 H₂ (г) + O₂ (г)

Каждое суммарное уравнение получается путём записи полу‐реакций на катоде и аноде, дальнейшего умножения их на необходимые коэффициенты для согласования количества передаваемых электронов и, наконец, суммирования с сокращением общих веществ.

Это и есть подробное решение задачи по электролизу с использованием правил электрохимии.