Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей, кислот)

На этой странице вы узнаете 

• Сила Тора — как с помощью электричества разлагаются вещества? 
• Могут ли химические элементы «летать»?
• Как электролиз связывает между собой самолеты и ложки? 

Электрический ток — основа современной жизни. Без него у нас элементарно бы не было света в доме, не работали бы наши гаджеты, не ездил бы транспорт. А как электричество участвует в химических реакциях? Узнаем в этой статье.

Принцип электролиза

Электролиз основан на пропускании электрического тока через раствор или расплав вещества-электролита.

Сила Тора — как с помощью электричества разлагаются вещества? Бог грома и молний Тор не мог себе и представить, что электричество играет важную роль в химии. Вещества способны «разрушаться» под воздействием электрического тока. Такой процесс называют электролизом.

Реакции электролиза протекают в приборе, называемом электролизёром или электролитической ванной. Посмотрим на него детальнее.

Электролизер представляет собой определенную емкость, в которую для протекания реакции заливают раствор или расплав электролита и в которую опущены электроды — катод и анод. Это, как правило, металлические пластинки или графитовые стержни, на поверхности которых будут протекать реакции электролиза. 

Электроды — это пластинки или стержни, которые служат местом протекания реакций.

Могут ли химические элементы «летать»? Можно сказать, что да, ведь ионы электролитов притягиваются к электродам, опущенным в раствор или расплав вещества. Различают два типа электродов: катод и анод.  — Катод — электрод, имеющий отрицательный заряд (–), к поверхности которого, исходя из принципа «+» притягивается к «–», будут притягиваться катионы (+). — Анод — электрод, имеющий положительный заряд (+), исходя из чего к нему притягиваются анионы (–).

За счет того, что между электродами натянута электрическая цепь, электроны (–) от анода могут передаваться к катоду, благодаря чему и происходит передача электронов от аниона к катиону, а значит, окислительно-восстановительная реакция (ОВР). 

Какой вывод можно из этого сделать? 

Электролиз — это окислительно-восстановительная реакция (ОВР), протекающая на электродах при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита. 

Особенность электролиза состоит в том, что процессы окисления и восстановления в этой ОВР пространственно разделены: окисление протекает на одном электроде, а восстановление на другом.

Возможны два варианта развития событий: когда проводят электролиз раствора и электролиз расплава. Начнем по порядку. 

Электролиз растворов веществ

Словосочетание «водный раствор» предполагает, что, помимо ионов электролита, в электролизере также будут находиться молекулы воды, которые являются растворителем.

Давайте вспомним строение аш-два-о: 

Вода — это полярная молекула: наиболее электроотрицательный атом кислорода перетягивает на себя электронную плотность в молекуле, создавая отрицательно заряженный полюс (δ-), на водородах же создается положительно заряженный полюс (δ+). 

Таким образом, молекула воды представляет собой диполь («ди» — два, «поль» — полюс) и имеет положительно и отрицательно заряженные полюса.

А что это значит? Это значит, что отрицательно заряженным полюсом (–) вода способна притягиваться к аноду (+), а положительно заряженным (+) — к катоду (–).

Так, если реакция электролиза вещества протекает в водном растворе, то на катоде и на аноде, помимо ионов электролита, будут находиться также молекулы воды, как бы конкурирующие с ними за право вступить в реакцию электролиза. 

Поэтому сейчас мы будем разбираться, что в каждом конкретном случае будет подвергаться электролизу: вода или ион электролита.  

Катодные процессы 

На катоде происходит процесс восстановления (взятия электронов катионом). 

При этом продукт электролиза на катоде зависит от активности металла, находящегося в составе электролита.

Металлы, стоящие в ряду активности металлов до алюминия (включительно!), считаются активными; металлы после водорода — неактивными; металлы, находящиеся в промежутке между активными и неактивными, — средней активности. 

Продукты электролиза довольно логичны, если построить нужную ассоциацию: 

• «Крутые» активные металлы даже не собираются принимать участие в электролизе (могут себе это позволить). Поэтому они «толкают» на катод молекулы воды и заставляют их делать всю работу за них, а сами остаются в прикатодном пространстве, то есть просто рядом с ним. Таким образом, электролизу подвергается вода, исходя из чего на катоде выделяется водород:

 2H₂O + 2ē = H₂ + 2OH⁻

• «Некрутые» неактивные металлы не имеют таких привилегий, поэтому им приходится выполнять всю работу и принимать участие в электролизе самим, в результате чего на катоде выделяется сам металл: 

Меⁿ⁺ + nē = Me⁰ 

• Металлы средней активности «не определились в этой жизни», поэтому какая-то часть катионов этих металлов «толкает» на катод и заставляет участвовать в электролизе воду, а другая часть — электролизуется сама. Таким образом, при нахождении на катоде катионов металла средней активности, на катоде выделяются и водород, и металл: 

2H₂O + 2ē = H₂ + 2OH⁻; 

Meⁿ⁺ + nē = Me⁰ 

• При нахождении на катоде ионов H⁺ вместо катионов металла — например, при электролизе раствора кислоты, — логично, что на катоде будет выделяться водород: 

2H⁺ + 2ē = H₂⁰

Анодные процессы 

На аноде происходит процесс отдачи электронов — окисление аниона. Сам же продукт электролиза на аноде зависит от типа аниона.

• Если на аноде оказывается кислородсодержащий анион неорганической кислоты (или фторид-ион!), ситуация обстоит так же, как с активными металлами. То есть «крутой» кислородсодержащий анион самостоятельно не принимает участия в процессе электролиза, а «толкает» на анод воду, «заставляя ее выполнять свои обязанности» и электролизоваться: при этом на аноде выделяется кислород. 

Легко запомнить: при нахождении на аноде кислородсодержащего аниона, на аноде происходит окисление воды и выделяется кислород: 

2H₂O – 4ē = O₂ + 4H⁺

• Если на аноде бескислородный анион — например, Cl ^–, Br ^–, I ^–, S² ^– — ему, как и катионам неактивных металлов, приходится участвовать в электролизе самому. В результате на аноде выделяется сам неметалл: 

неМеⁿ⁻ – nē = неМе 

• В случае анионов органических кислот, оказавшихся на аноде, происходит другой процесс. Радикал удваивается R–R и выделяется углекислый газ CO₂. 

P.S. Именно поэтому для понимания продукта электролиза на аноде в этом случае анион органической кислоты берут в удвоенном количестве.

Почему в случае фторидов на аноде не выделяется сам неметалл (фтор), как в ситуации с другими бескислородными анионами? 

Мы знаем, что на аноде происходит окисление (отдача электронов). А разве фтор, самый электроотрицательный на планете Земля? Он когда-то кому-нибудь отдавал свои или даже «украденные» электроны? Ни за что! 

Именно поэтому он не ведет себя как типичные бескислородные анионы, отдавая электроны. Он «примыкает к банде кислородсодержащих анионов» и «толкает» на анод воду, в результате чего электролизу подвергается именно она и выделяется кислород. 

Рассмотрим все эти процессы на конкретных примерах. 

• Электролиз раствора NaCl.

Процесс на катоде: Na — активный металл, поэтому его катион подвергаться электролизу не будет, он остается в прикатодном пространстве (не притягивается к катоду, а находится рядом с ним). Вместо этого электролизоваться будет вода.

2H₂O + 2e = H₂ + OH^–

Процесс на аноде: 2Cl ^– – 2e = Cl₂

Теперь объединим оба процесса в одно уравнение реакции. Выделившийся на катоде анион OH^– и незадействованный в электролизе катион Na⁺ дадут нам NaOH. К нему дописываем выделившиеся на электродах простые вещества — водород и хлор, получаем :

2NaCl + 2H₂O = H₂ + Cl₂ + NaOH

• Электролиз раствора NaOH.

Процесс на катоде: 2H₂O +2e = H₂ + 2OH^–

Процесс на аноде: 4OH^– – 4e = O₂ + 2H₂O

Уравняем электроны методом электронного баланса (как при обычных ОВР), для этого домножим коэффициенты первого процесса на 2. Получим : 4H₂O +4e = 2H₂ + 4OH^–

Запишем суммарно: 4H₂O + 4OH^– = 2H₂ + 4OH^– + O₂ + 2H₂O. Сократим H₂O и OH^–, которые есть у нас и в левой, и в правой частях. Получим итоговое уравнение: 

2H₂O = 2H₂ + O₂

• Электролиз раствора FeCl₃

Процессы на катоде: 

1. Восстановление водорода 2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^–
2. Восстановление железа: Fe⁺³ + 3e = Fe

Процесс на аноде: 2Cl ^– – 2e = Cl₂

В ходе восстановления водорода образовались ОН^–-ионы, которые с радостью присоединятся к катиону железа Fe³⁺, образуется гидроксид железа(III). Дальше остается составить итоговое уравнение, но не одно, а целых два! Запись в одно уравнение на экзамене считается неверной, так как не отражает все катодные процессы.

Первое уравнение отражает восстановление железа и анодный процесс:

2FeCl₃ = 3Cl₂ + 2Fe

Второе отражает восстановление водорода:

2FeCl₃ + 6H₂O = 3Cl₂ + 2Fe(OH)₃ + 3H₂

• Электролиз раствора Cr₂(SO₄)₃ 

Процессы на катоде: 

1. Восстановление водорода 2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^–
2. Восстановление хрома: Cr⁺³ + 3e = Cr

Процесс на аноде: Так как сульфат-ион является кислородсодержащим ионом, то протекает электролиз воды: 4OH^– – 4e = O₂ + 2H₂O

В ходе восстановления водорода образовались ОН^–-ионы, которые с радостью присоединятся к катиону хрома Cr³⁺, образуется гидроксид хрома(III). В ходе анодного процесса образуются катионы водорода Н⁺, которые идут к сульфат-иону с образованием серной кислоты. Дальше остается составить уравнение электролиза, но не одно, а целых два!

Первое уравнение отражает восстановление хрома и анодный процесс:

4Cr₂(SO₄)₃ + 6H₂O = 3О₂ + 4Cr + 6H₂SO₄

Второе отражает восстановление водорода:

2H₂O = 2Н₂ + О₂

Электролиз расплавов веществ

Чем электролиз в расплаве будет отличаться от электролиза в растворе? Тем, что в расплаве НЕТ ВОДЫ: расплав представляет собой нагретое до температуры плавления и, таким образом, расплавленное вещество. 

А если нет воды, значит, на аноде и катоде не будет конкуренции за вступление в реакцию между водой и ионами электролита. То есть в данном случае за счет отсутствия в электролизере воды складывается простое и логичное правило: что оказывается на электроде, то и подвергается электролизу. 

Именно поэтому продукты электролиза расплавов веществ интуитивно просто определяются. Разберем конкретный пример и рассмотрим электролиз расплава хлорида натрия NaCl.

Погрузим в электролизер расплав NaCl. Как сильный электролит, хлорид натрия сразу же распадается на ионы: 

NaCl → Na⁺ + Cl⁻

Образовавшиеся после диссоциации катионы Na⁺ притягиваются к катоду (–), анионы Cl⁻ — к аноду (+).

Положительно заряженная поверхность анода (+) притягивает к себе и, таким образом, «отбирает» отрицательно заряженный электрон хлора, делая его электронейтральным: 

Cl⁻ – 1ē = Cl⁰ 

Так как хлор как простое вещество существует только в виде двухатомной молекулы (Cl₂), для ее образования потребуется два аниона хлора. Электронно-ионное уравнение реакции, протекающей на аноде, будет выглядеть следующим образом: 

2Cl⁻ – 2ē = Cl₂⁰ 

По электрической цепи, натянутой между анодом и катодом, два «оторванных» на аноде у хлора электрона направляются к катоду, где их «ждет» катион натрия Na⁺. Чтобы принять два электрона, понадобится два Na⁺, в результате чего электронно-ионное уравнение реакции, протекающей на катоде, будет выглядеть следующим образом: 

2Na⁺ + 2ē → 2Na

Так, при электролизе расплава NaCl на аноде выделяется хлор, а на катоде — натрий. То есть что оказалось на электроде, то электролизу и подверглось. 

Итоговое уравнение реакции: 

2NaCl (расплав, эл. ток) = 2Na + Cl₂

Какой общий алгоритм написания таких реакций? Чтобы не запутаться, мы можем пользоваться схемой. 

Как электролиз связывает между собой самолеты и ложки? Электролиз активно используют в промышленности для получения многих металлов. Например, натрий, магний и алюминий, из которого изготавливается множество изделий, начиная от ложек и заканчивая деталями для самолетов, получают только электролизом расплавов солей. Металлы, полученные электролизом очень чистые за счет отсутствия примесей. Также этот метод используют для рафинирования металлов (то есть их очистки) и защиты от коррозии.

Фактчек

• Электролиз — это окислительно-восстановительная реакция, протекающая на электродах при прохождении электрического тока.
• Его проводят в специальном приборе — электролизере, в который помещают раствор или расплав вещества. В них опускаются специальные стержни — электроды.
• Особенность электролиза растворов заключается в том, что в реакции могут участвовать молекулы воды — это зависит от состава вещества.
• Особенность электролиза расплавов заключается в том, что там нет никакого растворителя, то есть вещество раскладывается на то, из чего состоит.

Проверь себя 

Задание 1.
Сколько электродов используется в реакциях электролиза? 

1. 1
2. 2
3. 3
4. 4

Задание 2.
Какое вещество выделяется на катоде при электролизе раствора хлорида меди? 

1. медь
2. водород
3. хлор
4. кислород

Задание 3.
Какое вещество выделяется на аноде при электролизе раствора фторида калия? 

1. калий
2. водород
3. фтор
4. кислород 

Задание 4.
Электролиз расплава бромида калия приводит к образованию: 

1. водорода и галогена
2. металла и галогена
3. металла и кислорода
4. водорода и кислорода

Ответы: 1. — 2; 2. — 1; 3. — 4; 4. — 2.