Электрический ток разбирает вещество на части — надо лишь знать, что осядет на каждом электроде.
Электролиз — окислительно-восстановительная реакция, идущая на электродах под действием постоянного тока. Ионы движутся к противоположно заряженным электродам и там разряжаются.
Идёт восстановление: к нему тянутся катионы (+) и принимают электроны. Здесь получают металл или водород.
Идёт окисление: к нему тянутся анионы (−) и отдают электроны. Здесь получают неметалл или кислород.
КАтод — КАтионы, восстановление. Анод — анионы, окисление. «Катод — минус, притягивает плюсы».
В расплаве нет воды — конкуренции нет. Всё однозначно: на катоде металл, на аноде неметалл.
катод: Na+ + e- → Na0
анод: 2Cl- − 2e- → Cl₂↑
2NaCl →(эл-з) 2Na + Cl₂
Так в промышленности получают активные металлы (Na, K, Al, Mg) — из растворов их не выделить.
В водном растворе за электроны конкурирует ещё и вода. Кто разрядится — решают эти правила.
| Металл в ряду активности | На катоде |
|---|---|
| от Li до Al включительно (активные) | H₂ из воды (металл остаётся в растворе) |
| от Mn до H (средней активности) | металл + немного H₂ |
| после H (Cu, Ag, Hg, Au) | только металл |
| Анион | На аноде (инертный электрод) |
|---|---|
| бескислородные: Cl-, Br-, I-, S2- | простое вещество (Cl₂, Br₂, I₂, S) |
| кислородсодержащие: SO₄2-, NO₃-, CO₃2-, PO₄3- и F- | O₂ из воды (анион остаётся) |
F- ведёт себя как кислородсодержащий: на аноде вместо него окисляется вода до O2. А из «кислотных остатков с кислородом» простого вещества не получить.
катод: Cu2+ + 2e- → Cu0 (медь после H — осаждается)
анод: 2H₂O − 4e- → O₂↑ + 4H+ (SO₄2- не окисляется)
2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂↑ + 2H₂SO₄
катод: 2H₂O + 2e- → H₂↑ + 2OH- (Na активный — идёт вода)
анод: 2Cl- − 2e- → Cl₂↑
2NaCl + 2H₂O → H₂↑ + Cl₂↑ + 2NaOH
катод: 2H₂O + 2e- → H₂↑ + 2OH-
анод: 2H₂O − 4e- → O₂↑ + 4H+
2H₂O → 2H₂↑ + O₂↑
И на катоде, и на аноде работает вода — соль лишь обеспечивает проводимость и остаётся в растворе неизменной. По сути идёт электролиз воды.
Всё сказанное выше относится к инертным электродам (графит, платина). Если анод сделан из активного металла — меди, никеля, серебра — он окисляется сам, и никакие анионы до окисления не доходят.
анод (медный): Cu0 − 2e- → Cu2+ — анод растворяется
катод: Cu2+ + 2e- → Cu0 — медь осаждается
Суммарно: медь переносится с анода на катод, концентрация раствора не меняется. Именно так очищают медь до 99,99%: примеси либо остаются в растворе, либо падают на дно шламом.
Если в условии сказано «медный анод», «никелевый анод», «гальваностегия», «рафинирование» — анод растворяется. Если «графитовые», «угольные», «платиновые» электроды — анод инертный, работают анионы или вода.
| Задача | Что электролизуют | Почему именно так |
|---|---|---|
| Получение Al | расплав Al₂O₃ в криолите | из раствора алюминий не выделить — на катоде пойдёт вода |
| Получение Na, K, Ca, Mg | расплавы их солей (NaCl, MgCl₂) | активные металлы получают только из расплавов |
| Получение NaOH, Cl₂, H₂ | раствор NaCl | щёлочь копится у катода, хлор уходит с анода |
| Очистка Cu | раствор CuSO₄, медный анод | растворимый анод переносит металл на катод |
| Покрытия (хромирование, никелирование) | раствор соли металла | изделие служит катодом |
Из водного раствора нельзя получить металлы, стоящие в ряду активности до алюминия включительно (Li, K, Ca, Na, Mg, Al): на катоде вместо них восстанавливается вода. Их получают только электролизом расплава. Это объясняет, почему алюминий, известный с древности как глина, стал доступным металлом лишь в XIX веке.
NaCl: на катоде выделяется H₂ и копятся ионы OH- → образуется NaOH → pH растёт, среда становится щелочной.
CuSO₄: на аноде выделяется O₂ и копятся ионы H+ → образуется H₂SO₄ → pH падает, среда становится кислой.
Логика простая: смотри, какой ион остаётся в растворе после того, как «его половина» ушла газом или осела на электроде.
В задании 20 электролизуют не только соли. Три случая ниже разбираются по той же таблице, но их стоит запомнить готовыми — они встречаются чаще всего.
H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄ — на аноде остаток не окисляется, на катоде разряжается H⁺ самой кислоты.
катод: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑
анод: 2H₂O − 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺
Идёт электролиз воды, кислота концентрируется.
HCl, HBr, HI — на аноде окисляется сам галогенид-ион.
катод: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑
анод: 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂↑
Кислота расходуется: 2HCl → H₂↑ + Cl₂↑
В растворе NaOH натрий активен, а окисляться на аноде нечему, кроме воды:
катод: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻
анод: 4OH⁻ − 4e⁻ → O₂↑ + 2H₂O
Суммарно снова 2H₂O → 2H₂↑ + O₂↑: разлагается вода, щёлочь только проводит ток и становится концентрированнее. Тот же итог даёт раствор Na₂SO₄ — отсюда правило: активный металл + кислородный остаток (или щёлочь, или кислородная кислота) = электролиз воды.
Электролиз раствора CH₃COONa на аноде даёт не кислород: ацетат-ион окисляется, теряет CO₂, и два остатка соединяются в этан. 2CH₃COONa + 2H₂O → C₂H₆↑ + 2CO₂↑ + H₂↑ + 2NaOH. Этот способ спрашивают в органических цепочках — как получить алкан из соли кислоты.
Электроны, ушедшие с анода, приходят на катод — их одинаковое число. Отсюда считают соотношение продуктов, не зная ни силы тока, ни времени: достаточно уравнять электроны в двух полуреакциях.
Электролиз раствора Na₂SO₄. Катод: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻; анод: 2H₂O − 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺.
Уравниваем электроны — НОК(2, 4) = 4: катодный процесс берём дважды. На 4 электрона приходится 2 моль H₂ и 1 моль O₂. Значит водорода всегда вдвое больше по объёму, как и в формуле воды.
Через раствор CuSO₄ пропустили ток, и на аноде выделилось 1,12 л (н. у.) кислорода. Сколько меди осело на катоде?
n(O₂) = 1,12 / 22,4 = 0,05 моль. Анод: 2H₂O − 4e⁻ → O₂ + 4H⁺ → на 1 моль O₂ уходит 4 моль электронов, значит их 0,05 · 4 = 0,2 моль.
Катод: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu → меди вдвое меньше, чем электронов: n(Cu) = 0,1 моль, m(Cu) = 0,1 · 64 = 6,4 г.
Раствор теряет всё, что ушло газом или осело на электроде. В примере выше из раствора вышли 6,4 г меди и 1,6 г кислорода (0,05 · 32) — раствор стал легче на 8 г. В задачах на массовую долю после электролиза считают именно так.
Калий активен, гидроксид-ион окисляется до кислорода: на катоде H₂, на аноде O₂ — то есть разлагается вода. Самой щёлочи не убывает, а воды становится меньше, поэтому раствор концентрируется.
Ответь мысленно, потом раскрой карточку.
Калий очень активен → на катоде идёт вода: 2H₂O + 2e- → H₂↑ + 2OH-. Сам калий не осаждается.
SO42- — кислородсодержащий, не окисляется. На аноде вода: 2H₂O − 4e- → O₂↑ + 4H+.
Нет. В растворе на катоде выделяется водород. Натрий получают только электролизом расплава NaCl.
Катод: Cu (медь после H). Анод: Cl₂ (бескислородный остаток). Итог: CuCl₂ → Cu + Cl₂.
Орбита оценит уровень по каждой из 34 тем ЕГЭ и сама подберёт, что решать дальше. Первая диагностика — 12 задач, регистрация по логину, почту не спрашиваем.
Начать бесплатно Сейчас доступ бесплатный. Можно сначала решить три задачи без регистрации.