Условие задачи
Составьте уравнения электролиза: а) расплава хлорида калия; б) раствора хлорида золота AuCl3. Укажите общие черты и найдите различия в этих процессах.
Решение
Ниже приведён подробный разбор задачи по электрохимии (электролизу). В задаче необходимо составить уравнения электролиза для двух случаев – расплава хлорида калия (KCl) и раствора хлорида золота (AuCl₃), а также указать общие черты и найти различия между процессами.
────────────────────────────
1. Электролиз расплава KCl
При электролизе расплава KCl ионы свободно движутся в жидкой фазе. В расплаве присутствуют ионы K⁺ и Cl⁻. Зарядовые обмены происходят на электродах:
• На катоде происходит восстановление катионов:
K⁺ + e⁻ → K (1)
• На аноде происходит окисление анионов:
2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻ (2)
Чтобы число электронов в полуреакциях совпадало, умножим (1) на 2:
2 K⁺ + 2 e⁻ → 2 K (1a)
Складывая (1a) и (2), получаем общее уравнение:
2 KCl (ж) → 2 K (ж) + Cl₂ (г)
Примечание. Обратите внимание, что полученный металлический калий – крайне реакционноспособное вещество, и в лабораторных условиях его получение методом электролиза расплава требует специальных мер.
────────────────────────────
2. Электролиз раствора AuCl₃
Раствор AuCl₃ в воде диссоциирует на ионы:
AuCl₃ → Au³⁺ + 3 Cl⁻
При электролизе происходят следующие процессы:
• На катоде происходит восстановление катионов золота:
Au³⁺ + 3 e⁻ → Au (3)
• На аноде при достаточно высокой концентрации хлоридов и соответствующем подборе электродного материала происходит окисление Cl⁻ до хлора:
2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻ (4)
Чтобы уравнять число передаваемых электронов, найдём наименьшее общее кратное для 3 и 2, равное 6:
Умножим (3) на 2:
2 Au³⁺ + 6 e⁻ → 2 Au (3a)
Умножим (4) на 3:
6 Cl⁻ → 3 Cl₂ + 6 e⁻ (4a)
Складывая (3a) и (4a), получаем общее уравнение:
2 AuCl₃ → 2 Au + 3 Cl₂
При этом необходимо отметить, что растворенность и возможность сопутствующего окисления воды на аноде могут зависеть от условий эксперимента (например, от концентрации хлоридов и материала анода). Однако при достаточно высоком содержании хлоридов реакция (4) предпочтительнее, и именно Cl₂ выделяется на аноде.
────────────────────────────
3. Общие черты и различия процессов
Общие черты:
• В обоих процессах происходит электролиз солей, диссоциирующих с образованием хлорид-ионов, и на аноде в результате окисления Cl⁻ образуется хлор (Cl₂).
• На катоде происходит восстановление катионов с выделением металлического вещества (K или Au).
Различия:
• Среда электролиза.
– При электролизе расплава KCl отсутствует растворитель (вода), а ионы находятся в жидком расплаве, что позволяет избежать сопутствующих реакций с водой.
– При электролизе раствора AuCl₃ присутствует вода, что может вызывать конкуренцию между восстановлением ионов металла и водородной эволюцией, а также между окислением Cl⁻ и водного раствора.
• Относимая реакционная способность металлов.
– Калий является крайне реакционноспособным металлом, поэтому его получение посредством электролиза расплава требует особых условий.
– Золото – инертный металл, что делает его осаждение более контролируемым.
• Стехиометрия и валентность катионов.
– В KCl катион K⁺ имеет степень заряда +1, а в AuCl₃ катион Au³⁺ – +3, что отражается в коэффициентах уравнений (для восстановления Au³⁺ требуется 3 электрона на один ион).
────────────────────────────
Ответ:
а) Для электролиза расплава KCl:
На катоде: K⁺ + e⁻ → K
На аноде: 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻
Общее уравнение: 2 KCl (ж) → 2 K (ж) + Cl₂ (г)
б) Для электролиза раствора AuCl₃:
На катоде: Au³⁺ + 3 e⁻ → Au
На аноде: 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻
После уравнивания электронов (умножив реакции на 2 и 3 соответственно), общее уравнение: 2 AuCl₃ → 2 Au + 3 Cl₂
Общие черты: в обоих процессах происходит восстановление катионов до металла на катоде и окисление Cl⁻ до Cl₂ на аноде.
Различия: различается среда (расплав против водного раствора), тип восстанавливаемого металла (активный калий против инертного золота), а также стехиометрия электронного обмена (заряд катиона +1 против +3).