Изучение электролиза в курсе 11 класса

Электролиз- -одна из самых трудных тем, изучаемых в школе  и в институте. Трудность изучения темы

заключается  в нагромождении  теоретического материала в институтских учебниках, значениях  электродных потенциалов, законов Ома и т.д. Я предлагаю годами отработанный  метод составления  уравнений  электролиза  растворов и расплавов солей, кислот, и  щелочей .

 Катод- это   отрицательный электрод, к которому подходят ионы металлов, ионы водорода и молекул воды. На нем происходит процесс восстановления     (  разрядки).   Правило:

  1.Ионы металлов      I  и  II (   А) на катоде не разряжаются. Они собираются возле него, а разряжаются молекулы воды.                                       2 Н₂О + 2 е = Н₂↑ + 2 ОН^-

2.Ионы металлов от Zn2⁺ по   Ni²⁺ могут разряжаться как отдельно, так и одновременно с молекулами воды:

       а) если кислотность раствора и концентрация соли одинаковая, то разряжаются  одновременно и молекулы воды , и ионы  металлов. Например, Zn²⁺ + 2 e = Zn^o      2 H₂O + 2 e = H₂ ↑+ 2 OH^-

       б) если среда кислая, то происходит разрядка только молекул воды    2 Н₂О + 2 е = Н₂ + 2 ОН^-

           в) если концентрация соли высокая, то разряжаются только ионы металлов. Zn²⁺ + 2e=Zn^o

          г) если раствор очень разбавленный, то на катоде разряжаются только  ионы водорода воды

           4Н⁺ +4 е = 2 Н₂

3. Ионы металлов от  Cu ²⁺  по Pt ⁴⁺ полностью разряжаются     Cu²⁺ + 2е = Cu ^o

Анод- это положительный электрод, к которому подходят ионы кислотных остатков, ионы водорода и молекулы воды На нем происходит процесс окисления.   Правило:

1.       Ионы металлов кислородсодержащих кислот не разряжаются, вместо них

разряжаются молекулы воды      2 Н₂О – 4 е = О₂↑ + 4 Н⁺

2.       Ионы бескислородных  кислот полностью окисляются( разряжаются)  2 CI^-  - 2 e =CI2^o

3.       Если концентрация соли  низкая, то окисляются гидроксид-ионы воды. 4 ОН^- - 4е = О₂ + 2 Н₂

Используя это правило, рассмотрим и запишем процесс и уравнение реакции электролиза  соли на  различных примерах.

      1 пример      Соль образована активными металлами и разными  кислотными остатками.

                                                                         2 NaCI= 2 Na⁺ + 2 CI^-

Натрий хлорид.NaCI              катод-                                             анод+                         

                                   2 H₂O+ 2 e = H2↑ + 2 OH                         2 CI^- - 2 e = CI₂↑

Суммарное уравнение электролиза   2NaCI + 2 H2O = H2↑ +2 NaOH + CI2↑

    Натрий карбонат                                    2 Na₂CO₃ = 4 Na⁺ + 2 CO₃ ^2-

                                                                            Катод  -                                                  Анод   ⁺

                                4 H₂O +4 e = 2 H2  + 4 OH-                               2 H2O – 8 e = 2 O₂  + 8 OH -

            Cуммарное уравнение электролиза 2 Na₂CO3 + 6 H₂O = 2 H₂ + 4 NaOH + O₂ + 2H₂CO₃(2CO₂ + 2 H2O)

                                                                                  2Na₂CO₃ + 4 H₂O = 2 H₂ + 4 NaOH + O₂ + 2 CO₂

 2 пример.

                         Соль образована металлами от  Zn2+           по   Ni2+     на примере цинка хлорида.

      А) концентрация соли высокая

                                                                           ZnCI2 = Zn²⁺ + 2 CI^-

                                            Катод-                                                       Анод+

                  Zn²⁺ + 2 e = Zn ^o                                                              2 CI^- - 2 e = Ci₂

 Суммарное уравнение                                   ZnCI₂ = Zn ^o + CI2 o                                                             

             
    Вода в данном случае участие не принимает, электролиз проходит  как расплав соли.

 Б)- концентрация соли очень низкая          ZnCI₂ = Zn²⁺ + 2 CI^-

                                           Катод-                                                  анод+

                        4 H+ +4 e =2 H₂                                                       4 OH- -4 e = O₂ + 2 OH^-

   Суммарное уравнение               4 H₂O+ 2 H₂ + O2 + 2 H₂O

                                                                                 
                                           Только вода принимает участие в данном случае.

                                                                            ZnCI₂ = Zn ²⁺ + 2 CI^-

В)-Среда кислая.

                                       Катод-                                                     Анод+

               2 H₂O + 2e = H₂ + 2 OH^-                                       2 CI^- - 2 e= CI₂^o
  Суммарное уравнение     ZnCI₂ + 2 H₂O = H₂ +Zn + Zn(OH)₂ + CI₂

Г)-одновременная восстановление и ионов цинка.  и молекул воды.

                                                                   ZnCI=  Zn ²⁺ + 2 CI^-

                            Катод-                                                               Анод+

    2 H₂O + 2 e = H₂ + 2 OH-                                              2 CI^- - 2 e = CI₂

  Zn²⁺ + 2 OH- = Zn ^o

     Суммарное уравнение        ZnCI₂+ 2 H₂O = H₂ + Zn + Zn(OH)₂ + CI₂

3 пример

                         Соли металлов от Cu²⁺ по    Pt⁴⁺ образованные кислородсодержащими и  бескислор

                          ными кислотами. 

                                             Cоль кислородсодержащей кислоты

                                                                  2 CuSO₄ = 2 Cu ²⁺ + 2 SO4  ^2-

                                 Катод-                                                                             анад+

               2 Cu ²⁺  + 4 e = 2 Cu ^o                                                        2 H₂O – 4 e  = O₂ + 2 H⁺

       Суммарное уравнение      2 CuSO₄ + 2 H₂O  =  2 Cu +  O2 + 2 H₂SO₄

                                               Соль бескислородсодержащей кислоты

                                                            CuCI₂ =  Cu ²⁺ + 2 CI^-

                             Катод-                                                                анод+

                     Cu ²⁺ + 2 e = Cu ^o                                              2 CI^- - 2 e = CI₂

                                     Суммарное уравнение  CuCI₂  = Cu^о +  CI2 ^o

     Процесс проходит как расплав соли без участия воды.

                                        ЭЛЕКТРОЛИЗ  РАСПЛАВОВ СОЛЕЙ

        Безкислородные   NaCI                                                            Кислородсодержащие  Na₂SO₄

           2 NaCI = 2 Na ⁺+ 2 CI^-                                                     2Na₂SO₄ = 4 Na+ + 2 SO₄ ^2-    

            Катод-                  анод+                                                    катод-                           анад+

 2 Na+ + 2e =2 Na ^o           2CI^- - 2 e = CI2 ^o                         4 Na ⁺ + 4 e =4 Na ^O     2 SO₄^2- - 4 e =2 SO₃ + O₂

       уравнение                   2 NaCI = 2 Na + CI₂                           уравнение                      2Na₂SO₄ = 4 Na + 2 SO₃+O₂

                                                                   ЭЛЕКТРОЛИЗ    КИСЛОТ

            бескис лородные                                                                       кислородсодержащие

             2 HCI =2 H⁺ + 2 CI^-                                                           2  H₂SO₄ = 4 H⁺ + 2 SO₄ ^2-

              Катод-          анод+                                                 катод-                                анод+

  2 Н+ + 2 е = Н₂     2 CI^- - 2 e =CI₂                              4 H+ + 4 e = 2 H₂                2 SO₄ ^2- - 4 e =2SO₃ + O₂

         Уравнение 2 HCI=  H₂ + CI₂                                    уравнение  2 H₂SO₄ = 2 H₂ + 2 SO₃ + O₂

                                                               ЭЛЕКТРОЛИЗ  ЩЕЛОЧЕЙ  

  На катоде разряжаются ионы щелочных металлов, а на  аноде  гидроксид ионы  воды

                                                           4 NaOH = 4 Na⁺ + 4 OH^-  

                                    Катод-                                    Анод+

                      4 Na ⁺ + 4 e = 4Na                           4  ОН^- - 4e = O₂ + 2 H₂O

                                 уравнение       4 NaOH = 4 Na + O₂ + 2 H₂O  

                                     ЭЛЕКТРОЗ СОЛЕЙ С РАСТВОРИМЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

                               Электролиз  сульфата меди(II) с медным анодом.

                                                                  CuSO₄  = Cu ²⁺ + SO₄ ^2-

                                   Катод-                                                                анод+

             Cu²⁺ + 2 e = Cu ^o                                                                Cu ^o – 2 e + Cu ²⁺

       При растворимом аноде   окисляются  не ионы металла, а атомы металла, из

которого изготовлен анод. Он окисляется.. Ионы  меди переходят к атому  и разряжаются

на нем. Концентрация соли остается неизменной. Сколько меди растворилось на аноде, столько же ее выделится на катоде.