Электролиз расплавов и растворов изучение темы при подготовке

Электролиз расплавов и растворов (изучение темы при подготовке обучающихся к сдаче ЕГЭ, базовый уровень

ЭЛЕКТРОЛИЗ растворов и расплавов

ЭЛЕКТРОЛИЗ – окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении электрического тока через расплав или раствор электролита электроды катод анод +ē -ē ПРОЦЕСС ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКИСЛЕНИЯ -Что называется электролизом? -Какой электрод называют катодом, какой – анодом? -Какие процессы протекают на катоде, на аноде? -Чем отличается электролиз расплавов от электролиза водных растворов?

Окислительно-восстановительные реакции, протекающие на электродах при пропускании постоянного электрического тока через растворы или расплавы электролитов, называют электролизом. При электролизе окислителем и восстановителем является электрический ток. Процессы окисления и восстановления разделены в пространстве, они совершаются не при контакте частиц друг с другом, а при соприкосновении с электродами электрической цепи. Катод - отрицательно- заряженный электрод. Анод – положительно-заряженный электрод. Катион- «+» ион, анион- «-» ион.

Процессы на КАТОДЕ Катионы активных металлов Катионы менее активных металлов Катионы неактивных металлов Li+, Cs+, Rb+, K+, Mn 2+, Cr 3+, Zn 2+, Bi 3+, Cu 2+, Ag+, Ba 2+, Sr 2+, Ca 2+, Ga 3+, Fe 2+, Cd 2+, Hg 2+, Pd 3+, Pt 2+, Na+, Mg 2+, Be 2+, In 3+, Tl+, Co 2+, Ni 2+, Au 3+ Al 3+ Mo 4+, Sn 2+, Pb 2+ Тяжело разряжаются Легко разряжаются и В водном растворе (только из расплавов), в восстанавливается только восстанавливаются металл водном растворе металл электролизу подвергается (при малой концентрации катионов в растворе — вода с выделением металл и водород) водорода Н 2 Металл, Н 2 Металл

1. Катионы металлов со стандартным электродным потенциалом, большим, чем у ВОДОРОДА, расположены в ряду напряжений после него: Cu 2+, Hg 2+, Ag+, Pt 2+, . . . , до Pt 4+. При электролизе они почти полностью восстанавливаются на катоде и выделяются в виде металла. Cu 2+ + 2 e– = Cu 0

2. Катионы металлов с малой величиной стандартного электродного потенциала (катионы металлов начала ряда напряжений Li+, Na+, K+, Rb+, . . . , до Al 3+ включительно). При электролизе на катоде они не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды. 2 H 2 O + 2 e– = H 2 + 2 OH–

3. Катионы металлов со стандартным электродным потенциалом меньшим, чем у ВОДОРОДА, но большим, чем у алюминия (Mn 2+, Zn 2+, Cr 3+, Fe 2+, . . . , до H). При электролизе эти катионы, характеризующиеся средними величинами электроноакцепторной способности, на катоде восстанавливаются одновременно с молекулами воды. • Zn 2+ + 2 e = Zn 0 • 2 H 2 O + 2 e– = H 2 + 2 OH–

П р и м е р 1. Установите соответствие между формулой вещества и продуктом, который образуется на катоде в результате электролиза его водного раствора. Формула вещества Продукт электролиза А) Cu. SO 4; Б) K 2 SO 4; В) Ag. NO 3; Г) Cu. Br 2. 1) Водород; 2) серебро; 3) медь; 4) гидроксид калия; 5) кислород; 6) оксид серы(IV). Ответ: 3 1 2 3

Процессы на АНОДЕ Анионы Гидроксид-ионы; анионы кислородсодержащих бескислородных кислот (кроме F−) PO 43−, CO 32−, SO 42−, NO 3−, OH−, Cl−, Br−, I−, S 2− NO 2−, Cl. O 4− Тяжело разряжаются (только из расплавов), в водном растворе электролизу подвергается вода с выделением кислорода О 2 Легко разряжаются неметаллы

На аноде окисляются анионы бескислородных кислот, OH– или молекулы воды 2 Cl– – 2 e– = Cl 2 4 OH– – 4 e– = 2 H 2 O + O 2 Анионы кислородосодержащих кислот не окисляются, так как их стандартный потенциал намного превышает потенциал воды, поэтому вместо них окисляется вода: 2 H 2 O – 4 e– = O 2 + 4 H+

П р и м е р 2. Установите соответствие между формулой вещества и продуктом, образующимся на аноде в результате электролиза его водного раствора. Формула вещества Продукт электролиза А) Cu. SO 4; Б) KCl; В) Ag. F; Г) Cu. Br 2. 1) Фтор; 2) бром; 3) хлор; 4) хлороводород; 5) кислород; 6) оксид серы(IV). Ответ: 5 3 5 2

П р и м е р 8. Установите соответствие между названием вещества и продуктами электролиза на инертных электродах. Название вещества Продукты электролиза А) Хлорид меди(II) (раствор); Б) хлорид меди(II) (расплав); В) хлорид натрия (раствор); водород; Г) хлорид натрия (расплав). 1) Водород, хлор; 2) натрий, хлор; 3) гидроксид меди(II), 4) медь, хлор; 5) водород, кислород; 6) гидроксид натрия, хлор, водород. Ответ: 4 4 6 2

Алгоритм составления уравнений электролиза: Исходные частицы Процесс Металл M – nē = Mn+ Анионы бескислородных S 2– > I– > Br – > Cl– кислот. 2 Hal– – 2ē = Hal 2 Продукты Ионы металла Анионы кислот с SO 32–, NO 2–, и т. п. промежуточной степенью SO 2– + H O – 2ē = SO 2– 3 2 4 окисления элемента + +2 H Анионы кислот с высшей степенью окисления элемента Анионы карбоновых кислот Углеводороды и оксид углерода(IV) 2 RCOO–– 2ē = R-R + 2 CO Свободные неметаллы 2 Гидроксид-ион Вода Анионы кислот с высшей степенью окисления элемента 4 OH– – 4ē = O 2 + 2 H 2 O – 4ē = O 2 4 H+ + SO 42–, NO 3–, и т. п. SO 42– – 2ē = S 2 O 82– Кислород Перекисные соединения Фторид-ион 2 F– – 2ē = F 2 Фтор

Правила процессов электролиза При электролизе водного раствора соли из активного металла и кислородосодержащей кислоты на катоде выделяется Н 2, а на аноде – О 2. К- Na 2 SO 4 А+ ← Na+ SO ²ˉ→ 2 H 2 O + 2 e– →H 2 + 2 OH– | 2 H 2 O- 4 eˉ →O 2 +4 H+ 4 Электролиз воды 2 H 2 O→ Н 2↑ +О 2↑

При электролизе раствора соли из активного металла и бескислородной кислоты на катоде образуется - Н 2, на аноде – неметалл, а в растворе – основание ( из Fˉ - O 2) 2 H 2 O + 2 Na. Cl = H 2 + Cl 2 + 2 Na. OH Если металл средней активности связан с кислородосодержащим анионом, то на катоде образуется металл и Н 2, на аноде – О 2. Zn. SO 4 +2 H 2 O→Zn+H 2+O 2+H 2 SO 4 При электролизе раствора соли из металла средней активности и бескислородной кислоты на катоде образуется металл и Н 2, на аноде – неметалл. 2 Zn. Cl 2+2 H 2 O→Zn+H 2+Zn(OH)2+2 Cl 2

Правила процессов электролиза При электролизе водного раствора соли из малоактивного металла и кислородосодержащей кислоты на катоде выделяется металл, а на аноде – О 2 и кислота. K- Сu. SO 4 A+ Cu 2+ SO 4²ˉ ← → Cu 2+ + 2 e– = Cu 0 2 H 2 O – 4 e– = O 2 + 4 H+ 2 Сu. SO 4 + 2 H 2 O=2 Сu+ O 2 +2 H 2 SO 4

Правила процессов электролиза При электролизе катиона аммония NH 4+ восстанавливается вода. При электролизе солей органических кислот на катоде восстанавливается вода, на аноде анион кислоты с образованием алкана и углекислого газа. 2 CH 3 COONa +2 H 2 O=C 2 H 6↑+2 CO 2↑+H 2↑+2 Na. OH

Правила процессов электролиза Электролиз раствора щелочи – это электролиз воды. Электролиз раствора кислородосодержащей кислоты – это тоже электролиз воды. Электролиз бескислородной кислоты: на катоде образуется водород, на аноде –неметалл.

П р и м е р 3. Установите соответствие между формулой вещества и итоговым уравнением электролиза его водного раствора. Формула вещества А) Cu. SO 4; Б) KCl; В) Ag. F; Г) Na. NO 3. Уравнение электролиза 1) 2 Ag. F = 2 Ag + F 2; 2) 4 Ag. F + 2 H 2 O = 4 Ag + 4 HF + O 2; 3) 2 Cu. SO 4 + 2 H 2 O = 2 Cu + 2 H 2 SO 4 + O 2; 4) 2 KCl + 2 H 2 O = H 2 + 2 KOH + Cl 2; 5) Na. NO 3 + H 2 O = Na. OH + HNO 3; 6) 2 H 2 O = 2 H 2 + O 2. Ответ: 3 4 2 6

П р и м е р 4. Установите соответствие между формулой соли и схемой процесса, протекающего на катоде в результате электролиза ее водного раствора. Формула соли Процесс, протекающий на катоде А) Cu(NO 3)2; Б) Mg. Br 2; В) Na. Cl; Г) Hg. Cl 2. 1) 2 Н 2 О + 2 е → Н 2 + 2 ОН–; 2) Cu 2+ + 2 е → Cu 0; 3) 2 Br – – 2 е → Br 2 0; 4) Mg 2+ + 2 е → Mg 0; 5) Hg 2+ + 2 е → Hg 0; 6) Na + + е → Na 0. Ответ: 2 1 1 5

Использованная литература: Химия: основы общей химии: учеб. для 11 кл. ОУ: базовый уровень/Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман - М. , Просвещение, 2008 Репетитор по химии/Под ред. А. С. Егорова. – Ростов н/Д: Феникс, 2005 г. Химия. 11 -й класс. Тематические тестовые задания для подготовки к ЕГЭ. /Авт. -сост. Л. И. Асанова. – Ярославль: Академия развития, 2010 г. Материалы курса «Подготовка выпускников средних учебных заведений к сдаче УГЭ по химии» : лекции 1 -4 / О. С. Габриелян, С. А. Сладков – М. : Педагогический университет «Первое сентября» , 2010.