Составить уравнения процессов, протекающих при электролизе расплавов и растворов солей

Задача 686. 

Составить уравнения процессов, протекающих при электролизе расплавов NaOH и NiCl₂ с инертными электродами.

Решение:

а) Электролиз расплава едкого натра 

 В расплаве едкого натра содержатся ионы Na+ и OH-:

NaOH ⇔ Na⁺ + OH^—.

Ионы натрия восстанавливаются на катоде: NaOH ⇔ Na⁺ + OH^—.

Видео:Все об электролизе и задании 20 за 20 минут | Химия ЕГЭ 2023 | УмскулСкачать

На аноде ионы ОН^— окисляются с образованием воды и кислорода:

2ОН^— — 2 ⇔Н₂О + О.

Два атома кислорода, соединяясь друг с другом, образуют молекулу:

О + О = О₂.

Таким образом, процесс окисления ионов ОН^— можно выразить уравнением:

4ОН^— — 4 ⇔ 2Н₂О + О₂

Умножив уравнение катодного процесса на четыре, и сложив его с анодным процессом, получим: 

4Na⁺ + 4OH^— ⇔   4Na    +   H₂O + O₂↑
                  ^{у катода           у анода}

Процесс в целом можно выразить уравнением: 

4NaOH ⇔   4Na   +   H₂O + O₂↑

Таким образом, при электролизе расплава едкого натра у катода выделяется металлический натрий, а у анода – газообразный кислород и вода. 

б) Электролиз  расплава соли NiCl₂ находятся ионы Ni²⁺ и Cl^—:  NiCl₂ ⇔ Ni²⁺ + 2Cl^—.

В расплаве соли NiCl₂ находятся ионы Ni²⁺ и Cl^—:  

NiCl₂ ⇔ Ni²⁺ + 2Cl^—.

Образующиеся ионы никеля восстанавливаются на катоде с образованием металлического никеля:

Ni²⁺ + 2 = Ni⁰

На аноде будет происходить электролитическое окисление ионов хлора с образованием свободных атомов хлора, которые соединяясь друг с другом, образуют молекулу хлора:

2Cl^— — 2 =  2Cl*
Cl* + Cl* = Cl₂ 

Сложив уравнения катодного и анодного процессов, получим суммарное уравнение процесса:

Ni²⁺ + 2Cl^—   =  Ni   +    Cl₂↑
                      ^{у катода   у анода}

Таким образом, при электролизе расплава соли хлорида никеля (II) на катоде выделяется металлический никель, а на аноде – газообразный хлор.

Задача 687.
Составить схемы электролиза водных растворов Н₂SO₄, CuCl₂, Pb(NO₃)₂ с платиновыми электродами.
Решение:
а) Электролиз водного раствора Н₂SO₄

Стандартный потенциал системы: 2Н⁺ + 2  = Н₂ равен 0,000 В, что значительно выше, чем в нейтральной среде. Поэтому на катоде будет происходить восстановление воды, сопровождающееся выделением газообразного водорода:

2Н₂О + 2 = Н₂↑ + 2ОН^—,

Поскольку, отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (1,23В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (2,01 В), характеризующий систему:

  2SO₄^2- — 2  = S₂O₈^2-.

Ионы  SO₄^2-, движущиеся при электролизе к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве. Умножая уравнение катодного процесса на два и складывая его с уравнением анодного процесса, получаем суммарное уравнение реакции электролиза серной кислоты:

6H₂O ⇔ 2H₂↑ + 4H⁺ + 4OH^— +    O₂↑ + 2H₂SO₄
                    у катода              у анода 

Таким образом, одновременно с выделением водорода у катода и кислорода у анода образуется вода (катодное пространство) и серная кислота (анодное пространство). После приведения членов в обеих частях равенства получим:  

2H₂O — 4  = 2H₂↑  +       O₂↑ + 4H⁺
                у катода              у анода

Вывод:
При электролизе раствора серной кислоты происходит разложение воды на катоде и аноде, в результате чего происходит выделение водорода (в катодном пространстве) и кислорода (в анодном пространстве), а серная кислота остаётся без изменения.

б) Электролиз водного раствора CuCl₂

Медь располагается в ряду активности после водорода, поэтому на катоде восстанавливается металл:

Катод (–): Cu²⁺ + 2ē  = Cu⁰

Видео:Электролиз расплава гидроксида натрияСкачать

На аноде будет происходить электрохимическое окисление ионов Cl-, приводящее к выделению хлора:

Анод (+): 2Cl^–  —  2ē   = 2Cl^–  → Cl₂↑.

поскольку  отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+1,36 В) значительно выше, чем стандартный потенциал (+1,23 В), характеризующий систему

2Н₂О  — 4ē   =  О₂↑ + 4Н⁺

Молекулярная форма процесса:

CuCl₂  → Cu + Cl₂

Вывод: 
Таким образом, при электролизе водного раствора хлорида меди на катоде выделяется медь, на аноде – хлор.

в) Электролиз водного раствора Рb(NO₃)₂

Рb(NO₃)₂ – соль средней активности металла и кислородсодержащей кислоты. Стандартный электродный потенциал электрохимической системы:  

Pb²⁺ + 2  = Pb⁰ (-0,13 В) положительнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41 В) незначительно. Поэтому на катоде будет выделяться свинец (2H⁺/H₂) > ⁰(Pb²⁺/Pb)):

Pb²⁺ + 2  = Pb⁰

На аноде будет происходить электрохимическое окисление воды, приводящее к  выделению кислорода:

2H₂O — 4ē = O₂↑ + 4H⁺

Ионы NO₃^—, движущиеся при гидролизе к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве. Умножим уравнение катодного процесса на два и сложим его с уравнением анодного процесса, получим суммарное уравнение:

2Pb²⁺ + 2H₂O  =  2Pb   +    O₂↑  + 4H⁺
                   у катода     у анода

Приняв во внимание, что одновременно происходит накопление ионов NO₃^— в анодном пространстве, суммарное уравнение процесса можно записать в следующей форме:

2H₂O + 2Pb(NO₃)₂  =  2Pb   +  O₂↑ + 4H⁺ + 4NO₃^— 

Молекулярная форма процесса:

2H₂O + 2Pb(NO₃)₂  =  2Pb   +  O₂↑ + 4HNO₃

Вывод: 
При электролизе водного раствора нитрата свинца на катоде выделяется свинец, на аноде – газообразный кислородрд, в растворе образуется азотная кислота  (анодное пространство).