Условие задачи
Составьте схемы электролиза (с использованием угольных электродов) расплавов и растворов следующих солей: KCl, CuSO4, KI.
Решение
Ниже приводится подробное решение задачи по электролизу (с использованием угольных, то есть графитовых, электродов) для двух состояний вещества (расплав и водный раствор) для каждой соли. Решение основывается на правилах неорганической электролизной химии.
─────────────────────────────
1. Электролиз KCl
A. Электролиз расплава KCl
В расплаве единственными ионами являются K⁺ и Cl⁻. Так как угольные электроды являются инертными, процессы происходят в электролите.
• На катоде происходит восстановление калиевых катионов:
K⁺ + e⁻ → K
(образуется металлический калий)
• На аноде происходит окисление хлоридных анионов:
2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
(выделяется газообразный хлор)
B. Электролиз водного раствора KCl
В растворе присутствуют ионы K⁺, Cl⁻ и молекулы H₂O. При электролизе растворов часто конкурируют реакции восстановления/окисления воды с реакциями с участием ионов.
• На катоде восстановление калиевых ионов маловероятно (из-за очень отрицательного потенциала), поэтому происходит восстановление воды:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
(образуется водород, а в растворе образуются гидроксид-ионы)
• На аноде, при достаточно высокой концентрации Cl⁻, окисляется хлорид:
2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
(выделяется газообразный хлор)
Замечание: При других условиях (разреженный раствор) анодная реакция могла бы быть про водной окислением (2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻), но для концентрированного KCl предпочтительна реакция превращения Cl⁻ в Cl₂.
─────────────────────────────
2. Электролиз CuSO₄
Заметим, что для купороса принято рассматривать электролиз как в водном растворе, так и (гипотетически) в расплаве. На практике расплав CuSO₄ не применяют, поскольку при высокой температуре происходит его разложение, а анион купороса (SO₄²⁻) очень устойчив. Кроме того, окисление SO₄²⁻ требует высоких потенциалов, поэтому при использовании угольного электрода анод подвергается окислению.
A. Электролиз водного раствора CuSO₄
В растворе содержатся ионы Cu²⁺, SO₄²⁻ и молекулы воды.
• На катоде происходит восстановление медных катионов, что является основным процессом при получение меди:
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
(осаждение металлической меди)
• На аноде вместо окисления SO₄²⁻ окисляется вода (так как потенциал окисления воды ниже, чем прямое окисление аниона купороса):
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
(образуется газообразный кислород и выделяются протоны)
Ответ: В растворе CuSO₄ на катоде получают медь, а на аноде выделяется кислород.
B. Электролиз расплава CuSO₄
При плавлении купороса вода отсутствует, и в системе остаются ионы Cu²⁺ и SO₄²⁻. Однако SO₄²⁻ практически не окисляется до каких-либо стабильных продуктов при электролизе расплава – реакция требует очень высокого окислительного потенциала. При использовании инертных угольных электродов на аноде происходит не электролиз SO₄²⁻, а окисление самого электродного материала (графита):
• На катоде (в расплаве) происходит восстановление медных ионов:
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
(осаждение меди)
• На аноде происходит процесс окисления углерода электродa:
C + 2O²⁻ → CO₂
(при наличии выделяемых «оксидных» частиц, образующихся в результате разложения купороса, или непосредственно взаимодействующих с кислородом, выделяемым из аниона)
Фактически, вместо стандартного анодного процесса, анод постепенно разрушается (окисляется с образованием диоксида углерода).
Ответ: Электролиз расплава CuSO₄ приводит к осаждению меди на катоде и разложению купороса с окислением углерода анода (выделяется CO₂).
─────────────────────────────
3. Электролиз KI
A. Электролиз расплава KI
В расплаве содержатся ионы K⁺ и I⁻.
• На катоде происходит восстановление калиевых катионов:
K⁺ + e⁻ → K
(образуется металлический калий)
• На аноде происходит окисление йодид-ионов:
2I⁻ → I₂ + 2e⁻
(образуется элементарный йод, который может выделяться в виде паров или выпадать в осадок)
B. Электролиз водного раствора KI
В растворе содержатся ионы K⁺, I⁻ и H₂O.
• На катоде, как и в случае с другими щелочными растворами, восстановление K⁺ малореализуемо по причине восстановления воды:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
(выделяется водород, а в растворе образуются гидроксид-ионы)
• На аноде происходит окисление йодид-ионов:
2I⁻ → I₂ + 2e⁻
(выделяется йод)
Замечание: Получившийся йод может далее вступать во взаимодействие с избытком I⁻, образуя triiodид-ион (I₃⁻), но в схеме электролиза обычно указывают именно первичное образование I₂.
─────────────────────────────
Итоговые схемы электролиза с угольными электродами:
Ⅰ. Для KCl
1. Расплав KCl
— Катод: K⁺ + e⁻ → K
— Анод: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
2. Водный раствор KCl
— Катод: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
— Анод: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
Ⅱ. Для CuSO₄
1. Водный раствор CuSO₄
— Катод: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
— Анод: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
2. Расплав CuSO₄ (гипотетически)
— Катод: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
— Анод: окисление графитового электрода, например:
C + 2O²⁻ → CO₂
(анод разрушается при окислении, что является нежелательным эффектом)
Ⅲ. Для KI
1. Расплав KI
— Катод: K⁺ + e⁻ → K
— Анод: 2I⁻ → I₂ + 2e⁻
2. Водный раствор KI
— Катод: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
— Анод: 2I⁻ → I₂ + 2e⁻
─────────────────────────────
Таким образом, используя принципы неорганической электролизной химии и учитывая особенности расплавов и растворов (конкуренция между ионами и молекулами воды, а также особенности анизотропии анионов), получаем вышеописанные электролитические схемы для KCl, CuSO₄ и KI с угольными (графитовыми) электродами.