Задание 20 ЕГЭ по химии проверяет знание процессов электролиза растворов и расплавов электролитов, а также умение определять продукты электролиза. В этом задании требуется проанализировать, какие вещества образуются на электродах при электролизе различных электролитов.
Электролиз – это совокупность окислительно-восстановительных процессов, происходящих на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита.
Электролиты – вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток вследствие диссоциации на ионы.
Электроды – проводники первого рода (металлы, графит), погруженные в раствор или расплав электролита и соединенные с источником постоянного тока.
Анод – положительно заряженный электрод, на котором происходит процесс окисления (отдача электронов).
Катод – отрицательно заряженный электрод, на котором происходит процесс восстановления (присоединение электронов).
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:
nAm- - ne- → nA0 или продукты окисления аниона
Примеры электролиза расплавов:
NaCl → Na+ + Cl-
Катод: Na+ + e- → Na0
Анод: 2Cl- - 2e- → Cl20
Суммарное уравнение: 2NaCl → 2Na + Cl2
Al2O3 → 2Al3+ + 3O2-
Катод: 2Al3+ + 6e- → 2Al0
Анод: 3O2- - 6e- → 3/2O20
Суммарное уравнение: 2Al2O3 → 4Al + 3O2
При электролизе водных растворов электролитов, кроме ионов самого электролита, в электродных процессах могут участвовать молекулы воды.
На катоде происходит восстановление катионов металла или молекул воды. Выбор процесса зависит от положения металла в ряду напряжений:
Восстанавливается вода: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
Восстанавливаются и катионы металла, и вода, но преимущественно катионы металла:
Men+ + ne- → Me0
Восстанавливаются только катионы металла:
Men+ + ne- → Me0
На аноде происходит окисление анионов или молекул воды. Выбор процесса зависит от природы аниона:
Окисляются анионы: nAm- - ne- → nA0 или продукты окисления аниона
Например: 2Cl- - 2e- → Cl20
Окисляется вода: 2H2O - 4e- → O2 + 4H+
При электролизе водных растворов солей на аноде могут выделяться различные газы в зависимости от природы аниона:
Инертные аноды (графит, платина) не участвуют в электродных процессах и не растворяются при электролизе.
При использовании инертных анодов на аноде происходит окисление анионов или молекул воды по правилам, описанным выше.
Активные аноды (медь, цинк, никель и другие металлы) участвуют в электродных процессах и растворяются при электролизе.
При использовании активных анодов на аноде происходит окисление металла анода:
Me0 - ne- → Men+
Например, при электролизе раствора сульфата меди с медным анодом:
Анод (Cu): Cu0 - 2e- → Cu2+
Количественные соотношения при электролизе описываются законами Фарадея:
Первый закон Фарадея: масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через раствор или расплав электролита.
Второй закон Фарадея: при прохождении через различные электролиты одинакового количества электричества массы выделившихся на электродах веществ пропорциональны их химическим эквивалентам.
Математическое выражение законов Фарадея:
m = (M · I · t) / (n · F)
где m – масса выделившегося вещества (г), M – молярная масса вещества (г/моль), I – сила тока (А), t – время (с), n – число электронов, участвующих в электродной реакции, F – постоянная Фарадея (96500 Кл/моль).
Определите продукты электролиза водного раствора хлорида меди(II) на инертных электродах.
Ответ:
На катоде выделяется медь (Cu), на аноде – хлор (Cl2).
1) Определяем, является ли электролит расплавом или водным раствором:
Электролит – водный раствор хлорида меди(II) (CuCl2).
2) Записываем уравнение диссоциации электролита:
CuCl2 → Cu2+ + 2Cl-
3) Определяем катодный процесс:
Медь стоит в ряду напряжений после водорода, поэтому на катоде восстанавливаются катионы меди:
Катод: Cu2+ + 2e- → Cu0
4) Определяем анодный процесс:
Хлорид-ион – бескислородный анион, поэтому на аноде окисляются хлорид-ионы:
Анод: 2Cl- - 2e- → Cl20
5) Записываем суммарное уравнение электролиза:
CuCl2 → Cu + Cl2
Определите продукты электролиза водного раствора сульфата натрия на инертных электродах.
Ответ:
На катоде выделяется водород (H2), на аноде – кислород (O2).
1) Определяем, является ли электролит расплавом или водным раствором:
Электролит – водный раствор сульфата натрия (Na2SO4).
2) Записываем уравнение диссоциации электролита:
Na2SO4 → 2Na+ + SO42-
3) Определяем катодный процесс:
Натрий стоит в ряду напряжений до алюминия, поэтому на катоде восстанавливается вода:
Катод: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
4) Определяем анодный процесс:
Сульфат-ион – кислородсодержащий анион, поэтому на аноде окисляется вода:
Анод: 2H2O - 4e- → O2 + 4H+
5) Записываем суммарное уравнение электролиза:
2Na2SO4 + 6H2O → 2H2 + O2 + 4NaOH + 2H2SO4
или
2H2O → 2H2 + O2
| Электролит | Катодный процесс | Анодный процесс (инертный анод) | 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 ZnCl2 | Zn2+ + 2e- → Zn0 | 2Cl- - 2e- → Cl20 | ZnCl2 → Zn + Cl2 |
| Раствор Na2SO4 | 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- | 2H2O - 4e- → O2 + 4H+ | 2H2O → 2H2 + O2 |
| Раствор NiSO4 | Ni2+ + 2e- → Ni0 | 2H2O - 4e- → O2 + 4H+ | 2NiSO4 + 2H2O → 2Ni + O2 + 2H2SO4 |
| Раствор AgNO3 | Ag+ + e- → Ag0 | 2H2O - 4e- → O2 + 4H+ | 4AgNO3 + 2H2O → 4Ag + O2 + 4HNO3 |
Электрохимическая защита металлических изделий от коррозии основана на создании катодной поляризации защищаемого металла.
Электрохимическая обработка металлов – обработка металлических изделий с помощью электролиза для придания им определенной формы или свойств.
Электрохимический синтез – получение различных химических соединений с помощью электролиза.
Закрепите теорию на практике! Попробуйте решить несколько вариантов задания 20.