Условие задачи
Составьте схему электролиза растворов: а) хлорида натрия; б) хлорида меди (II); в) сульфата меди (II); г) сульфата натрия. Напишите суммарные уравнения электролиза растворов этих солей.
Решение
Ниже приведён подробный разбор задачи по электролизу водных растворов солей (электрохимия). Для каждого раствора приводится схема процессов на электродах (полуреакции) с пояснениями, а также суммарное (окончательное) уравнение электролиза. При записи формул используются обычные символы Unicode (строчные буквы, знаки →, + и так далее).
─────────────────────────────
Задача а) – электролиз раствора хлорида натрия (NaCl)
В растворе содержатся ионы Na⁺, Cl⁻ и молекулы воды (H₂O). При электролизе происходит окислительно-восстановительный процесс, где ионы, способные легче окисляться или восстанавливаться, участвуют на соответствующих электродах.
1. На катоде (отрицательный электрод) происходит восстановление. В кислой и нейтральной воде восстановление воды проходит легче, чем восстановление Na⁺, поэтому на катоде происходит восстановление воды:
катодная полуреакция:
2 H₂O + 2 e⁻ → H₂(g) + 2 OH⁻
2. На аноде (положительный электрод) происходит окисление. Здесь возможны два варианта – окисление воды до O₂ или окисление Cl⁻ до Cl₂. При высокой концентрации хлорида (например, в растворе поваренной соли) хлорид окисляется легче, чем вода, поэтому на аноде происходит образование хлора:
анодная полуреакция:
2 Cl⁻ → Cl₂(g) + 2 e⁻
3. Суммарное уравнение электролиза получается, если полуреакции сложить, сокращая электроны:
Суммарное уравнение:
2 H₂O + 2 Cl⁻ → H₂(g) + Cl₂(g) + 2 OH⁻
Таким образом, электролиз раствора NaCl (при использовании инертных электродов и концентрации, позволяющей выделять Cl₂) приводит к образованию водорода, хлора и гидроксид-ионов.
─────────────────────────────
Задача б) – электролиз раствора хлорида меди(II) (CuCl₂)
Раствор CuCl₂ содержит ионы Cu²⁺ и Cl⁻, а также воду. При электролизе возможны следующие процессы:
1. На катоде происходит восстановление ионов меди:
катодная полуреакция:
Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu(s)
— осаждение металлической меди.
2. На аноде возможны два варианта окисления – либо Cl⁻ до Cl₂, либо воды до O₂. Однако стандартный потенциал окисления воды (ок. +1,23 В) несколько ниже, чем для окисления Cl⁻ (ок. +1,36 В), что говорит о преимущественности эволюции кислорода. При этом концентрация Cl⁻ может способствовать образованию Cl₂, но если выбираются инертные электроды и условия нейтральные/слабо кислые, то окисление воды предпочтительнее.
Принимаем, что на аноде преимущественно окисляется вода:
анодная полуреакция:
2 H₂O → O₂(g) + 4 H⁺ + 4 e⁻
Чтобы число электронов округлялось, умножим катодную реакцию на 2:
2 Cu²⁺ + 4 e⁻ → 2 Cu(s)
Складываем полуреакции:
2 Cu²⁺ + 2 H₂O → 2 Cu(s) + O₂(g) + 4 H⁺
При этом ионы Cl⁻ остаются в растворе как «зрители». Если же бы условия способствовали окислению Cl⁻ (концентрированный раствор), на аноде имелась бы реакция
2 Cl⁻ → Cl₂(g) + 2 e⁻
и суммарное уравнение тогда имело бы вид:
Cu²⁺ + 2 Cl⁻ + 2 e⁻ (на катоде) и сопутствующую анодную реакцию.
Тем не менее, классически для электролиза растворов меди (II) выбирают схему с осаждением меди и эволюцией кислорода.
Итак, суммарное уравнение при окислении воды на аноде:
2 CuCl₂ + 2 H₂O → 2 Cu(s) + O₂(g) + 4 H⁺ + 4 Cl⁻
Можно сократить до основной реакции, выделяя, что Cl⁻ остаются в составе соли.
─────────────────────────────
Задача в) – электролиз раствора сульфата меди(II) (CuSO₄)
Раствор CuSO₄ содержит ионы Cu²⁺ и SO₄²⁻, а также воду. При электролизе обычно используют инертные электроды, что приводит к следующим процессам:
1. На катоде происходит восстановление меди:
катодная полуреакция:
Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu(s)
2. На аноде – окисление воды (так как анизотропичный анион SO₄²⁻ окислять сложно):
анодная полуреакция:
2 H₂O → O₂(g) + 4 H⁺ + 4 e⁻
Умножая катодную реакцию на 2, получаем:
2 Cu²⁺ + 4 e⁻ → 2 Cu
Складываем:
2 Cu²⁺ + 2 H₂O → 2 Cu(s) + O₂(g) + 4 H⁺
В данном случае ионы SO₄²⁻ являются «зрителями» и остаются в растворе.
Таким образом, суммарное уравнение электролиза раствора CuSO₄:
2 CuSO₄ + 2 H₂O → 2 Cu(s) + O₂(g) + 4 H⁺ + 2 SO₄²⁻
При наличии растворённого вещества степенная схема может быть записана и в виде указанных выше полуреакций.
─────────────────────────────
Задача г) – электролиз раствора сульфата натрия (Na₂SO₄)
Раствор Na₂SO₄ содержит ионы Na⁺ и SO₄²⁻. Так как восстановление Na⁺ до металлического натрия сопряжено с очень отрицательным потенциалом (и не происходит в водном растворе), на электродах участвуют молекулы воды, а ионы Na⁺ и SO₄²⁻ являются “зрителями”.
1. На катоде происходит восстановление воды:
катодная полуреакция:
2 H₂O + 2 e⁻ → H₂(g) + 2 OH⁻
2. На аноде происходит окисление воды:
анодная полуреакция:
2 H₂O → O₂(g) + 4 H⁺ + 4 e⁻
Для сложения полуреакций умножим катодную на 2:
4 H₂O + 4 e⁻ → 2 H₂(g) + 4 OH⁻
Складываем с анодной реакцией:
4 H₂O → 2 H₂(g) + O₂(g) + 4 H⁺
Заметим, что 4 H⁺ и 4 OH⁻ могут нейтрализоваться, образуя 4 H₂O, но так как в суммарном уравнении они сокращаются, итоговая схема электролиза воды (в присутствии Na₂SO₄), где соль остаётся растворённой, выглядит так:
Суммарное уравнение:
2 H₂O → 2 H₂(g) + O₂(g)
(В общем случае электролиз чистой воды невозможен, но наличие ионов-селиторов (SO₄²⁻, Na⁺) повышает проводимость раствора, а само вещество не участвует в реакциях.)
─────────────────────────────
Вывод/Краткий ответ:
а) Раствор NaCl
катод: 2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻
анод: 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻
∴ 2 H₂O + 2 Cl⁻ → H₂ + Cl₂ + 2 OH⁻
б) Раствор CuCl₂ (при окислении воды на аноде)
катод: Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu
анод: 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻
Умножая катодную реакцию на 2 и складывая, получим:
2 CuCl₂ + 2 H₂O → 2 Cu + O₂ + 4 H⁺ + 4 Cl⁻
в) Раствор CuSO₄
катод: Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu
анод: 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻
Суммарное уравнение (с ионами SO₄²⁻ – «зрителями»):
2 CuSO₄ + 2 H₂O → 2 Cu + O₂ + 4 H⁺ + 2 SO₄²⁻
г) Раствор Na₂SO₄
катод: 2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻
анод: 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻
Суммарное уравнение (после сокращения и нейтрализации H⁺ и OH⁻):
2 H₂O → 2 H₂ + O₂
Эти схемы соответствуют основным электрохимическим законам, где селективность процессов определяется стандартными потенциалами полуреакций и условием использования инертных электродов.