Условие задачи
Составьте схему электролиза растворов: а) нитрата свинца (II); б) иодида бария; в) ортофосфата натрия; г) бромида олова (II). Напишите суммарные уравнения электролиза растворов этих солей.
Решение
Ниже приведено подробное решение задачи из области электролиза (электрохимии). В данной задаче требуется для каждого раствора выписать схему (то есть указать, что происходит на катоде и аноде) и записать суммарное уравнение процесса электролиза раствора соответствующей соли. При этом используются правила, согласно которым при электролизе растворов надо учитывать наличие растворённой воды, которая может вступать в реакцию при редких случаях, когда осаждение металла невозможно или не предпочтительно. Рассмотрим по пунктам каждый раствор.
─────────────────────────────
1. Электролиз раствора нитрата свинца(II) (Pb(NO₃)₂)
При растворении нитрата свинца (Pb(NO₃)₂) в воде получаются ионы Pb²⁺ и NO₃⁻. При электролизе:
• На катоде (отрицательный электрод) происходит восстановление ионов металла. Здесь легче восстановить ионы свинца, чем воду, поэтому на катоде происходит реакция
Pb²⁺ + 2e⁻ → Pb (осаждение металлического свинца).
• На аноде (положительный электрод) происходит окисление. Ионы NO₃⁻ окислить затруднительно, поэтому вместо них окисляется вода. При этом в кислой среде (поскольку при окислении воды выделяются ионы H⁺) протекает процесс
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻.
Чтобы учесть количество электронов, домножим половинное уравнение восстановления на 2:
2Pb²⁺ + 4e⁻ → 2Pb.
Суммируя с анодным процессом, получаем общее уравнение:
2Pb²⁺ + 2H₂O → 2Pb + O₂ + 4H⁺.
Если исходить из исходной соли, то можно записать схему с участием нитрат-ионов, которые в итоге связываются с образующимися H⁺, что даёт образование нитратной кислоты:
2Pb(NO₃)₂ + 2H₂O → 2Pb + O₂ + 4HNO₃.
Таким образом, схема электролиза раствора нитрата свинца выглядит следующим образом:
Анод (окисление воды): 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Катод (восстановление Pb²⁺): 2Pb²⁺ + 4e⁻ → 2Pb
Общий процесс: 2Pb(NO₃)₂ + 2H₂O → 2Pb + O₂ + 4HNO₃
─────────────────────────────
2. Электролиз раствора иодида бария (BaI₂)
Раствор BaI₂ содержит ионы Ba²⁺ и I⁻. Здесь при электролизе возникают следующие процессы:
• На катоде восстановление происходит за счёт воды, так как восстановление Ba²⁺ до металлического бария требует очень негативного потенциала (и барий не осаждается из водного раствора). Восстановление воды даёт:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻.
• На аноде происходит окисление анионов I⁻, так как их окисление до элементарного йода проходит легче, чем окисление воды:
2I⁻ → I₂ + 2e⁻.
Соединив эти два полуокислительных процесса (электроны сокращаются), получаем суммарное уравнение:
2I⁻ + 2H₂O → I₂ + H₂ + 2OH⁻.
При наличии ионов Ba²⁺, образующиеся щелочные ионы OH⁻ вступают в реакцию с барием с образованием нерастворимого гидроксида или, в данном случае, можно ожидать осаждения гидроксида бария (Ba(OH)₂). При объединении Ba²⁺ и 2OH⁻ получаем:
Ba²⁺ + 2OH⁻ → Ba(OH)₂↓.
Если записать схему для одной молекулы BaI₂ (которая даёт 2I⁻ и Ba²⁺), то итоговая суммарная реакция электролиза будет выглядеть так:
BaI₂ + 2H₂O → I₂ + H₂ + Ba(OH)₂.
Схема электролиза раствора иодида бария:
Анод (окисление I⁻): 2I⁻ → I₂ + 2e⁻
Катод (окисление воды): 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
Общий процесс: BaI₂ + 2H₂O → I₂ + H₂ + Ba(OH)₂
─────────────────────────────
3. Электролиз раствора ортофосфата натрия (Na₃PO₄)
Раствор Na₃PO₄ содержит ионы Na⁺ и PO₄³⁻, которые по своим электрохимическим характеристикам инертны при электролизе (то есть не претерпевают прямых окислительно-восстановительных превращений). Поэтому электролиз проходит с участием воды.
• На катоде происходит восстановление воды:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻.
• На аноде – окисление воды. В водном растворе щелочного характера (в присутствии Na₃PO₄ раствор будет иметь некоторое основание) можно записать окисление гидроксид-ионов:
4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻.
(Либо в кислой среде: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻, но в данном случае раствор будет щелочным.)
Чтобы уравнять число электронов, домножим реакцию на катоде на 2:
4H₂O + 4e⁻ → 2H₂ + 4OH⁻.
Складываем с реакцией на аноде:
4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻.
При суммировании электроны и 4OH⁻ сокращаются, и получаем:
4H₂O → 2H₂ + O₂ + 2H₂O → 2H₂O → 2H₂ + O₂.
Таким образом, суммарное уравнение электролиза раствора Na₃PO₄ выглядит как разложение воды:
2H₂O → 2H₂ + O₂.
В данной схеме ионы Na⁺ и PO₄³⁻ не участвуют в протекании реакций и являются «зрителями».
─────────────────────────────
4. Электролиз раствора бромида олова(II) (SnBr₂)
Раствор SnBr₂ содержит ионы Sn²⁺ и Br⁻. Здесь процессы происходят следующим образом:
• На катоде восстанавливаются ионы олова (Sn²⁺), что приводит к осаждению металлического олова:
Sn²⁺ + 2e⁻ → Sn.
• На аноде окисляются бромид-ионы до элементарного брома, так как окисление Br⁻ протекает легче, чем окисление воды:
2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻.
Суммируя процессы (так как число электронов одинаково), получаем суммарное уравнение:
SnBr₂ → Sn + Br₂.
Схема электролиза раствора бромида олова(II):
Анод (окисление Br⁻): 2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻
Катод (восстановление Sn²⁺): Sn²⁺ + 2e⁻ → Sn
Общий процесс: SnBr₂ → Sn + Br₂
─────────────────────────────
Ответ:
а) Для раствора Pb(NO₃)₂
Катод: Pb²⁺ + 2e⁻ → Pb
Анод: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Общее: 2Pb(NO₃)₂ + 2H₂O → 2Pb + O₂ + 4HNO₃
б) Для раствора BaI₂
Катод: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
Анод: 2I⁻ → I₂ + 2e⁻
Общее (с образованием Ba(OH)₂): BaI₂ + 2H₂O → I₂ + H₂ + Ba(OH)₂
в) Для раствора Na₃PO₄
Катод (умноженное на 2): 4H₂O + 4e⁻ → 2H₂ + 4OH⁻
Анод: 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻
Общее: 2H₂O → 2H₂ + O₂
г) Для раствора SnBr₂
Катод: Sn²⁺ + 2e⁻ → Sn
Анод: 2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻
Общее: SnBr₂ → Sn + Br₂
Таким образом, при электролизе растворов данных солей ключевым моментом является выбор редокс-процессов, наиболее благоприятных по потенциалу, а не участие неактивных ионов (нитрат, Na⁺, PO₄³⁻) в реакциях.