Задание 16 ЕГЭ по химии 2025: Электролиз растворов и расплавов

Задание 16 ЕГЭ по химии проверяет знание процесса электролиза растворов и расплавов электролитов. В этом задании требуется определить продукты электролиза и составить уравнения соответствующих реакций.

Теория для подготовки к заданию

Основные понятия электролиза

Электролиз – это совокупность окислительно-восстановительных процессов, происходящих на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита.

Электролит – вещество, раствор или расплав которого проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы.
Электроды – проводники первого рода (металлы, графит), погруженные в раствор или расплав электролита и соединенные с источником постоянного тока.
Катод – отрицательно заряженный электрод, на котором происходит процесс восстановления.
Анод – положительно заряженный электрод, на котором происходит процесс окисления.
Электролизер – устройство, в котором осуществляется электролиз.

Электролиз расплавов электролитов

При электролизе расплавов электролитов (солей, щелочей) происходит разложение электролита на составляющие его элементы или группы элементов.

На катоде происходит восстановление катионов металла:

Meⁿ⁺ + ne^- → Me⁰

На аноде происходит окисление анионов:

nA^m- - ne^- → nA⁰ или продукты их взаимодействия

Примеры электролиза расплавов:

Электролиз расплава NaCl:
NaCl → Na⁺ + Cl^-

Катод: Na⁺ + e^- → Na⁰

Анод: 2Cl^- - 2e^- → Cl₂⁰

Суммарное уравнение: 2NaCl → 2Na + Cl₂
Электролиз расплава CaCl₂:
CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl^-

Катод: Ca²⁺ + 2e^- → Ca⁰

Анод: 2Cl^- - 2e^- → Cl₂⁰

Суммарное уравнение: CaCl₂ → Ca + Cl₂

Электролиз водных растворов электролитов

При электролизе водных растворов электролитов, кроме ионов самого электролита, в растворе присутствуют молекулы воды, которые также могут участвовать в электродных процессах.

Катодные процессы

На катоде происходит восстановление. Восстанавливаться могут катионы металлов или молекулы воды. Выбор процесса зависит от положения металла в ряду напряжений:

Металлы, стоящие в ряду напряжений до Al включительно (Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al): восстанавливается вода с выделением водорода
2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^-
Металлы от Mn до H (Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb): в зависимости от условий могут восстанавливаться как катионы металла, так и вода
Металлы, стоящие в ряду напряжений после H (Cu, Hg, Ag, Pt, Au): восстанавливаются катионы металла
Meⁿ⁺ + ne^- → Me⁰

Анодные процессы

На аноде происходит окисление. Окисляться могут анионы или молекулы воды. Выбор процесса зависит от природы аниона:

Бескислородные анионы (кроме F^-) (Cl^-, Br^-, I^-, S^2-): окисляются анионы
2Cl^- - 2e^- → Cl₂⁰
Кислородсодержащие анионы (SO₄^2-, NO₃^-, PO₄^3-, CO₃^2-) и F^-: окисляется вода
2H₂O - 4e^- → O₂ + 4H⁺

Важно!

При электролизе водных растворов солей на катоде выделяется металл, если он стоит в ряду напряжений после водорода, или водород, если металл стоит до алюминия включительно. Для металлов от марганца до водорода возможны оба процесса в зависимости от условий.

Примеры электролиза водных растворов

Электролиз раствора CuCl₂:
CuCl₂ → Cu²⁺ + 2Cl^-

Катод: Cu²⁺ + 2e^- → Cu⁰

Анод: 2Cl^- - 2e^- → Cl₂⁰

Суммарное уравнение: CuCl₂ → Cu + Cl₂
Электролиз раствора CuSO₄:
CuSO₄ → Cu²⁺ + SO₄^2-

Катод: Cu²⁺ + 2e^- → Cu⁰

Анод: 2H₂O - 4e^- → O₂ + 4H⁺

Суммарное уравнение: 2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄
Электролиз раствора NaCl:
NaCl → Na⁺ + Cl^-

Катод: 2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^-

Анод: 2Cl^- - 2e^- → Cl₂⁰

Суммарное уравнение: 2NaCl + 2H₂O → H₂ + Cl₂ + 2NaOH
Электролиз раствора Na₂SO₄:
Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄^2-

Катод: 2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^-

Анод: 2H₂O - 4e^- → O₂ + 4H⁺

Суммарное уравнение: 2Na₂SO₄ + 6H₂O → 2H₂ + O₂ + 4NaOH + 2H₂SO₄

или 2H₂O → 2H₂ + O₂

Особенности электролиза с инертным и активным анодом

Инертный анод

Инертный анод (графит, платина) не участвует в электродных процессах и служит только для передачи электронов. На инертном аноде происходит окисление анионов или молекул воды по правилам, описанным выше.

Активный анод

Активный анод (медь, цинк, никель) сам участвует в электродных процессах, окисляясь и переходя в раствор в виде катионов:

Me⁰ - ne^- → Meⁿ⁺

Пример электролиза раствора CuSO₄ с медным анодом:

Катод: Cu²⁺ + 2e^- → Cu⁰
Анод: Cu⁰ - 2e^- → Cu²⁺
Суммарное уравнение: Cu(анод) → Cu(катод)

Этот процесс используется для очистки металлов (рафинирование) и гальваностегии (нанесение металлических покрытий).

Законы электролиза

Первый закон Фарадея

Масса вещества, выделившегося на электроде при электролизе, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через раствор или расплав электролита:

m = k · Q = k · I · t

где m – масса выделившегося вещества, k – электрохимический эквивалент вещества, Q – количество электричества, I – сила тока, t – время.

Второй закон Фарадея

При прохождении через различные электролиты одинакового количества электричества массы выделившихся на электродах веществ пропорциональны их химическим эквивалентам:

m = (M · Q) / (n · F)

где m – масса выделившегося вещества, M – молярная масса вещества, Q – количество электричества, n – число электронов, участвующих в электродном процессе, F – постоянная Фарадея (96500 Кл/моль).

Алгоритм определения продуктов электролиза

Определить, является ли электролит расплавом или водным раствором.
Записать уравнение диссоциации электролита.
Определить катодный процесс:
- Для расплава: восстановление катиона металла
- Для водного раствора: в зависимости от положения металла в ряду напряжений
Определить анодный процесс:
- Для расплава: окисление аниона
- Для водного раствора: в зависимости от природы аниона
Составить суммарное уравнение электролиза.

Типичные ошибки при определении продуктов электролиза

Неправильное определение катодного процесса в водном растворе (неучет положения металла в ряду напряжений).
Ошибки в определении анодного процесса в водном растворе (неучет природы аниона).
Неправильное составление электронного баланса и расстановка коэффициентов в уравнениях электродных процессов.
Неучет особенностей электролиза с активным анодом.

Примеры задач

Определите продукты электролиза водного раствора хлорида меди(II) с инертными электродами.

Ответ:

Катод: Cu²⁺ + 2e^- → Cu⁰

Анод: 2Cl^- - 2e^- → Cl₂⁰

Суммарное уравнение: CuCl₂ → Cu + Cl₂

1) Определяем, что электролит является водным раствором.

2) Записываем уравнение диссоциации электролита:

CuCl₂ → Cu²⁺ + 2Cl^-

3) Определяем катодный процесс:

Медь стоит в ряду напряжений после водорода, поэтому на катоде будет восстанавливаться катион меди:

Cu²⁺ + 2e^- → Cu⁰

4) Определяем анодный процесс:

Хлорид-ион является бескислородным анионом, поэтому на аноде будет окисляться хлорид-ион:

2Cl^- - 2e^- → Cl₂⁰

5) Составляем суммарное уравнение электролиза:

CuCl₂ → Cu + Cl₂

Определите продукты электролиза водного раствора сульфата натрия с инертными электродами.

Ответ:

Катод: 2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^-

Анод: 2H₂O - 4e^- → O₂ + 4H⁺

Суммарное уравнение: 2H₂O → 2H₂ + O₂

1) Определяем, что электролит является водным раствором.

2) Записываем уравнение диссоциации электролита:

Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄^2-

3) Определяем катодный процесс:

Натрий стоит в ряду напряжений до алюминия включительно, поэтому на катоде будет восстанавливаться вода:

2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^-

4) Определяем анодный процесс:

Сульфат-ион является кислородсодержащим анионом, поэтому на аноде будет окисляться вода:

2H₂O - 4e^- → O₂ + 4H⁺

5) Составляем суммарное уравнение электролиза:

2Na₂SO₄ + 6H₂O → 2H₂ + O₂ + 4NaOH + 2H₂SO₄

или 2H₂O → 2H₂ + O₂

Таблица продуктов электролиза

Электролит	Катодный процесс	Анодный процесс	Суммарное уравнение
Расплав NaCl	Na⁺ + e^- → Na⁰	2Cl^- - 2e^- → Cl₂⁰	2NaCl → 2Na + Cl₂
Раствор NaCl	2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^-	2Cl^- - 2e^- → Cl₂⁰	2NaCl + 2H₂O → H₂ + Cl₂ + 2NaOH
Раствор CuCl₂	Cu²⁺ + 2e^- → Cu⁰	2Cl^- - 2e^- → Cl₂⁰	CuCl₂ → Cu + Cl₂
Раствор CuSO₄	Cu²⁺ + 2e^- → Cu⁰	2H₂O - 4e^- → O₂ + 4H⁺	2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄
Раствор Na₂SO₄	2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^-	2H₂O - 4e^- → O₂ + 4H⁺	2H₂O → 2H₂ + O₂
Раствор ZnSO₄	Zn²⁺ + 2e^- → Zn⁰ или 2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^-	2H₂O - 4e^- → O₂ + 4H⁺	ZnSO₄ + 2H₂O → Zn + O₂ + H₂SO₄ или 2H₂O → 2H₂ + O₂
Раствор CuSO₄ с медным анодом	Cu²⁺ + 2e^- → Cu⁰	Cu⁰ - 2e^- → Cu²⁺	Cu(анод) → Cu(катод)

Задание 16 ЕГЭ: ПРАКТИКА

Закрепите теорию на практике! Попробуйте решить несколько вариантов задания 16.

Начать практику (Задание 16)