Условие задачи

Установите соответствие между солью и продуктом, образующимся на катоде при электролизе водного раствора этой соли.

Соль

Продукт на катоде

А) хлорид аммония

1) водород

Б) нитрат серебра

2) серебро

В) бромид стронция

3) медь

Г) сульфат меди (II)

4) аммиак

5) стронций

6) кислород

Решение

Ниже приведён подробный разбор задачи по электрохимии (электролизу водных растворов солей).

Общая схема процесса такова. При электролизе раствора на катоде происходит восстановление. При наличии в растворе различных ионов возможны две группы реакций:

• Если восстановление иона металла требует гораздо более отрицательного потенциала, чем восстановление воды, на катоде будут восстанавливаться молекулы воды с выделением водорода.

• Если же катион легко восстанавливается (с положительным потенциалом), то на катоде может осаждаться металл. Кроме того, в некоторых случаях возможна прямая редукция специфичных ионов, как, например, катиона аммония (NH₄⁺).

Рассмотрим каждую соль из таблицы:

─────────────────────────────
1. Соль А: хлорид аммония (NH₄Cl)

В растворе диссоциирует на NH₄⁺ и Cl⁻. Хотя восстановление воды (2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻) обычно происходит при более лёгком потенциале (E ≈ –0,83 В по шкале SHE), в растворах, где концентрация NH₄⁺ значительна, может протекать реакция

2NH₄⁺ + 2e⁻ → 2NH₃ + H₂

Таким образом, на катоде образуется не только водород, но и непосредственно молекулы аммиака. По условию требуется установить, какой продукт образуется именно на катоде – в данной классической задаче принято выделять образование аммиака. Следовательно, для хлорида аммония выбираем вариант:

А → 4) аммиак

─────────────────────────────
2. Соль Б: нитрат серебра (AgNO₃)

Диссоциация дает Ag⁺ и NO₃⁻. Водный раствор AgNO₃ содержит ионы серебра, у которых стандартный потенциал восстановления

Ag⁺ + e⁻ → Ag (E° ≈ +0,80 В)

значительно выше (то есть менее отрицательный), чем у воды. Поэтому на катоде происходит восстановление Ag⁺ с отложением серебра:

Б → 2) серебро

─────────────────────────────
3. Соль В: бромид стронция (SrBr₂)

Раствор содержит Sr²⁺ и Br⁻. Восстановление Sr²⁺ до металлического стронция возможно по реакции

Sr²⁺ + 2e⁻ → Sr

но его стандартный потенциал очень отрицательный (E° ≈ –2,9 В или еще ниже), что делает восстановление воды более выгодным. Поэтому на катоде происходит реакция восстановления воды:

2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

и выделяется водород:

В → 1) водород

─────────────────────────────
4. Соль Г: сульфат меди (II) (CuSO₄)

При диссоциации получают Cu²⁺ и SO₄²⁻. Водный раствор CuSO₄ содержит Cu²⁺, который легко восстанавливается по реакции

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (E° ≈ +0,34 В)

и осаждает на катоде медь:

Г → 3) медь

─────────────────────────────

Таким образом, окончательное соответствие выглядит так:

А) хлорид аммония – 4) аммиак
Б) нитрат серебра – 2) серебро
В) бромид стронция – 1) водород
Г) сульфат меди (II) – 3) медь

Ответ получен с использованием правил электрохимии: выбор реакции восстановления на катоде определяется сравнением стандартных потенциалов восстановительных полуреакций, а также влиянием состава раствора.