Условие задачи

Составьте схему электролиза растворов: а) сульфида натрия; б) нитрата серебра; в) хлорида ртути (II); г) карбоната калия. Напишите суммарные уравнения электролиза растворов этих солей.

Решение

Ниже приведён подробный расчёт электролиза данных водных растворов с описанием процессов на электродах и суммарных (нетто) уравнений реакций. Задача относится к разделу электрокимии, в частности к процессам электролиза водных растворов соли. При записи формул используются символы Юникода (например, H₂O, H⁺, e⁻).

─────────────────────────────
1. Электролиз раствора сульфида натрия (Na₂S)

При диссоциации раствор дает ионы:
Na₂S → 2Na⁺ + S²⁻

Селективный процесс происходит не с катионами (Na⁺, они малореакционноспособны), а с анионом S²⁻. При электролизе в сильно щелочной среде можно ожидать, что на аноде будет происходить окисление S²⁻ до элементарной серы, а на катоде – восстановление воды с выделением водорода.

► На катоде (восстановление воды):
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

► На аноде (окисление S²⁻):
S²⁻ + 2H₂O → S⁰ + 2OH⁻ + 2e⁻

При сложении полуреакций электроны взаимно компенсируются, получаем суммарное (нетто) уравнение для ионов:
S²⁻ + 4H₂O → S⁰ + H₂ + 4OH⁻

(Наблюдаются процессы выделения газообразного водорода на катоде и осаждения серы на аноде, а Na⁺ остаются в растворе, выступая в роли «зрителей».)

─────────────────────────────
2. Электролиз раствора нитрата серебра (AgNO₃)

Растворение соли даёт:
AgNO₃ → Ag⁺ + NO₃⁻

В данном случае ион Ag⁺ легко восстанавливается, а NO₃⁻ является инертным относительно окисления (воды окисляется предпочтительнее).

► На катоде (восстановление ионов серебра):
Ag⁺ + e⁻ → Ag (осадок металлического серебра)

► На аноде (окисление воды):
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻

Чтобы уравнять число электронов, умножим уравнение на катоде на 4:
4Ag⁺ + 4e⁻ → 4Ag

Складывая получаем:
4Ag⁺ + 2H₂O → 4Ag + O₂ + 4H⁺

Таким образом, суммарное уравнение электролиза раствора AgNO₃:
4Ag⁺ + 2H₂O → 4Ag + O₂ + 4H⁺

(NO₃⁻ остаются в растворе.)

─────────────────────────────
3. Электролиз раствора хлорида ртути (II) (HgCl₂)

При растворении HgCl₂ диссоциирует по схеме:
HgCl₂ → Hg²⁺ + 2Cl⁻

При электролизе раствора происходят две конкурентные реакции – восстановление Hg²⁺ и окисление Cl⁻. В данном случае потенциал окисления хлорид-ионов ниже, чем окисление воды, поэтому на аноде выделяется хлор.

► На катоде (восстановление ртутного иона):
Hg²⁺ + 2e⁻ → Hg (жидкая ртуть)

► На аноде (окисление хлорид-ионов):
2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

Электроны компенсируются, и суммарное уравнение становится:
HgCl₂ → Hg + Cl₂

Таким образом, электролиз раствора HgCl₂ приводит к осаждению ртути на катоде и выделению хлора на аноде.

─────────────────────────────
4. Электролиз раствора карбоната калия (K₂CO₃)

Карбонат калия диссоциирует в воде:
K₂CO₃ → 2K⁺ + CO₃²⁻

Ионы K⁺ не вступают в реакцию при электролизе, а реакция проходит за счёт воды. Оба процесса – восстановление и окисление – происходят с участием воды.

► На катоде (восстановление воды):
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

► На аноде (окисление воды):
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻

Уравняем число электронов: умножим реакцию на катоде на 2:
4H₂O + 4e⁻ → 2H₂ + 4OH⁻

Слагаем с анодной реакцией:
4H₂O + 4e⁻ + 2H₂O → 2H₂ + 4OH⁻ + O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Электроны взаимно уничтожаются, а 4OH⁻ и 4H⁺ реагируют с образованием 4H₂O. Получаем:

6H₂O → 2H₂ + O₂ + 4H₂O
⇨ 2H₂O → 2H₂ + O₂

Таким образом, суммарное уравнение электролиза раствора K₂CO₃ сводится к разложению воды на водород и кислород:
2H₂O → 2H₂ + O₂

(K⁺ и CO₃²⁻ остаются в растворе без изменения.)

─────────────────────────────
Вывод итоговых схем электролиза:

________________________________________
(a) Раствор Na₂S
Катод: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
Анод: S²⁻ + 2H₂O → S + 2OH⁻ + 2e⁻
Суммарное уравнение (нетто):
S²⁻ + 4H₂O → S + H₂ + 4OH⁻
(На электродах происходит выделение газа H₂ и осаждение элементарной серы.)

________________________________________
(b) Раствор AgNO₃
Катод: Ag⁺ + e⁻ → Ag
Анод: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 2e⁻
(после умножения катодной реакции на 4)
Суммарное уравнение:
4Ag⁺ + 2H₂O → 4Ag + O₂ + 4H⁺
(Отложение серебра и выделение кислорода.)

________________________________________
(c) Раствор HgCl₂
Катод: Hg²⁺ + 2e⁻ → Hg
Анод: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
Суммарное уравнение:
HgCl₂ → Hg + Cl₂
(Осаждение ртути и эволюция хлора.)

________________________________________
(d) Раствор K₂CO₃
Катод: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
Анод: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 2e⁻
(После умножения и сложения)
Суммарное уравнение:
2H₂O → 2H₂ + O₂
(Электролиз проходит за счёт разложения воды, а ионы K⁺ и CO₃²⁻ остаются в растворе.)

─────────────────────────────
Таким образом, для данных растворов получаем схемы электролиза и суммарные уравнения, записанные с использованием символов Юникода вместо LaTeX.