Теория для подготоки к ЕГЭ по химии по теме Электролиз

Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте файл и откройте на своем компьютере.
Тема 6. «Электролиз растворов и расплавов солей» 1. Электролиз – окислительно – восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании электрического тока ч е рез раствор или расплав электролита. 2. Катод – отрицательнозаряженный электрод. Происходит восстановление катионов металлов и водорода (в кислотах) или молекул воды. 3. Анод – положительнозаряженный электрод. Происходит окисление ани онов кислотного остатка и гироксогруппы (в щелочах) . 4. При электролизе раствора соли в реакционной смеси присутствует вода. Поскольку вода может проявлять и окислительные и восстановительные свойства, то она является «конкурентом» и для катодных и для анодных процессов. 5. Различают электролиз с инертными электро дами (графитовые, угольные, платиновые) и активным анодом (растворимым), а также электролиз расплавов и растворов элек тролитов. КАТОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ Если металл находится в ряду напряжений: Положение м еталл а в ряду напряжений Восстановление на катоде от Li до Al В осстанавливаются молекулы воды: 2 H 2 O + 2 e - → H 2 0 ↑ + 2 OH - от Mn до Pb В осстанавливаются и молекулы воды и катионы металла: 2H 2 O + 2e - → H 2 0 ↑ + 2OH - Me n+ + ne - → Me 0 от С u до Au В осстанавливаются катионы металлов: Me n + + ne - → Me 0 АНОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ Кислотный остаток Ас m - Анод Растворимый (железо, цинк, медь, серебро) Нерастворимый (графит, золото, платина) Бескислородный Окисление металла анода М 0 – n е - = M n + анод раствор Окисление аниона (кроме F - ) Ас m - - me - = Ас 0 Кислородсодержащий Фторид – ион ( F - ) В кислотной и нейтральной средах: 2 H 2 O - 4 e - → О 2 0 ↑ + 4 H + В щелочной среде: 4ОН - - 4е - = О 2 0 ↑ + 2 Н 2 O Примеры процессов электролиза расплавов с инертными электродами В расплаве электролита присутствуют только его ионы, по этому н а катоде восстанавлива ются катионы электролита, а на аноде окисляются анионы. 1. Рассмотрим электролиз расплава хлорида калия. Термическая диссоциация КС l → K + + Cl - К( - ) К + + 1 e - → K 0 А (+) 2С l - - 2 e - → Cl 0 2 ↑ C уммарное уравнение: 2КС l → 2 K 0 + Cl 2 0 ↑ 2. Рассмотрим электролиз расплава хлорида кальция. Термическая диссоциация СаС l 2 → Са 2+ + 2С l - К( - ) Са 2+ + 2 e - → Са 0 А (+) 2С l - - 2 e - → Cl 0 2 ↑ C уммарное уравнение : СаС l 2 → Ca 0 + Cl 2 0 ↑ 3. Рассмотрим электролиз расплава гидроксида калия. Термическая диссоциация КОН → К + + ОН - К( - ) К + + 1 e - → К 0 А (+) 4ОН - - 4 e - → О 2 0 ↑ + 2Н 2 О C уммарное уравнение : 4КОН → 4К 0 + О 2 0 ↑ + 2Н 2 О Примеры процессов электролиза растворов электролитов с инертными электродами В отличие от расплавов в растворе электролита, кроме его ионов, присутствуют молекулы воды. Поэтому при рассмотрении процессов на электродах необходимо учитывать их участие. Электролиз раствора соли, образованной активным металлом, стоящим в ряду напряжений до алюминия и кислотным остатком кислородосодержащей кислоты сводится к электролизу воды. 1. Рассмотрим электролиз водного раствора сульфата магния. MgSO 4 – соль, которая образована металлом, стоящим в ряду напряжений до алюминия и кислородсодержащим кислотным остатаком. Уравнение диссоциации: MgSO 4 → Mg 2+ + SO 4 2 - К ( - ) 2Н 2 О + 2е - = Н 2 0 ↑ + 2ОН - А (+) 2Н 2 О – 4 е - = О 2 0 ↑ + 4Н + Суммарное уравнение: 6Н 2 О = 2Н 2 0 ↑ + 4ОН - + О 2 0 ↑ + 4Н + 2Н 2 О = 2Н 2 0 ↑ + О 2 0 ↑ 2. Рассмотрим электролиз водного раствора сульфата меди ( II ) . С uSO 4 – соль, котороая образована малоактивным металлом и кислородсодержащим кислотным остатком. В данном случае при электролизе получается металл, кислород, а в катодно - анодном пространстве образуется соответствующая кислота. Уравнение диссоциации: CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2 - К ( - ) Cu 2+ + 2 e - = Cu 0 А (+) 2Н 2 О – 4е - = О 2 0 ↑ + 4Н + Суммарное уравнение: 2 Cu 2+ + 2Н 2 О = 2 Cu 0 + О 2 0 ↑ + 4Н + 2 CuSO 4 + 2Н 2 О = 2 Cu 0 + О 2 0 ↑ + 2Н 2 SO 4 3. Рассмотрим электролиз водного раствора хлорида кальция. C а Cl 2 – соль, котороя образована активным металлом и бескислородным кислотным остатком. В данном случае при электролизе образуются водород, галоген, а в катодно – анодном пространстве образуется щелочь. Уравнение д иссоциаци и: C а Cl 2 → Ca 2+ + 2 Cl - К ( - ) 2Н 2 О + 2е - = Н 2 0 ↑ + 2ОН - А (+) 2С l - – 2 е - = Cl 2 0 ↑ Суммарное уравнение: 2Н 2 О + 2 Cl - = Cl 2 0 ↑ + 2 O Н - C aCl 2 + 2Н 2 О = Ca ( OH ) 2 + Cl 2 0 ↑ + Н 2 0 ↑ 4. Рассмотрим электролиз водного раствора хлорида меди ( II ). CuCl 2 – соль, которая образована малоактивным металлом и кислотным о статком бескислородной кислоты. В данном случае образуются металл и галоген. Уравнение диссоциации: CuCl 2 → Cu 2+ + 2 Cl - К ( - ) Cu 2+ + 2 e - = Cu 0 А (+) 2С l - – 2е - = Cl 2 0 ↑ Суммарное уравнение: Cu 2+ + 2 Cl - = Cu 0 + Cl 2 0 ↑ C u Cl 2 = C u 0 + Cl 2 0 ↑ 5. Рассмотрим п роцесс электролиза раствора ацетата натрия. СН 3 СОО Na – соль, которая образован а активным металлом и кислотным остатком карбоновой кислоты. При электролизе получается водород, щелочь. Уравнение диссоциации: СН 3 СОО Na → СН 3 СОО - + Na + К ( - ) 2Н 2 О + 2е - = Н 2 0 ↑ + 2ОН - А (+) 2 CH 3 COO ¯ − 2 e = C 2 H 6 + 2 CO 2 ↑ Суммарное уравнение: 2Н 2 О + 2 CH 3 COO ¯ = Н 2 0 ↑ + 2ОН - + C 2 H 6 + 2 CO 2 ↑ 2Н 2 О + 2 CH 3 COONa = 2 Na О H + Н 2 0 ↑ + C 2 H 6 ↑ + 2 CO 2 ↑ 6. Рассмотрим процесс электролиза раствора нитрата никеля. Ni ( NO 3 ) 2 - сол ь , которая образована металлом, стоящим в ряду напряжений от Mn до H 2 и кислородсодержащим кислотным остатком . В процессе получаем металл, водород, кислород и кислоту. Уравнение диссоциации: Ni ( NO 3 ) 2 → Ni 2+ + 2 NO 3 - К ( - ) Ni 2+ +2 e - = Ni 0 2Н 2 О + 2е - = Н 2 0 ↑ + 2ОН - A (+) 2 H 2 O – 4 e - = O 2 0 ↑ + 4 H + C уммарное уравнение: Ni 2+ + 2Н 2 О + 2 H 2 O = Ni 0 + Н 2 0 ↑ + 2ОН - + O 2 0 ↑ + 4 H + Ni ( NO 3 ) 2 + 2Н 2 О = Ni 0 +2 HNO 3 + Н 2 0 ↑ + O 2 0 ↑ 7. Рас с мотрим процесс электролиза раствора серной кислоты. Уравнение диссоциации: H 2 SO 4 → 2 H + + SO 4 2 - К ( - ) 2Н + +2 e - = Н 2 0 ↑ A (+) 2 H 2 O – 4 e - = O 2 0 ↑ + 4 H + C уммарное уравнение: 2Н 2 О + 4Н + = 2 Н 2 0 ↑ + O 2 0 ↑ + 4 H + 2 H 2 O = 2 Н 2 0 ↑ + O 2 0 ↑ 8. Рассмотрим процесс электролиза раствора гидроксида натрия. В данном случае идет только электролиз воды. Аналогично протекает электролиз растворов H 2 SO 4 , NaNO 3 , K 2 SO 4 и др. Уравнение диссоциации: NaOH → Na + + OH - К ( - ) 2H 2 O + 2e - = H 2 0 ↑ + 2OH - A (+) 4OH - – 4e - = O 2 0 ↑ + 2H 2 O C уммарное уравнение : 4H 2 O + 4OH - = 2H 2 0 ↑ + 4OH - + O 2 0 ↑ + 2H 2 O 2 H 2 O = 2 H 2 0 ↑ + O 2 0 ↑ Примеры процессов электролиза растворов электролитов с растворимыми электродами Растворимый анод при электролизе сам подвергается окислению (растворению). 1. Рассмотрим процесс электролиза сульфата меди ( II ) с медным анодом. П ри электролизе ра створа сульфата меди с медным анодом про цесс сводится к выделению меди на катоде и постепенному растворению анода , несмотря на природу аниона . Количество суль фата меди в растворе остается неизменным. Уравнение диссоци ации: CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2 - K ( - ) Cu 2+ +2 e - → Cu 0 A (+) Cu 0 - 2 e - → Cu 2+ переход ионов меди с анода на катод Примеры заданий по данной теме в вариантах ЕГЭ В3. (В ар. 5) Установите соответствие между формулой вещества и продуктами электролиза его водного раствора на инертных электродах. ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА A ) Al 2 ( SO 4 ) 3 1. гидроксид металла, кислота Б) С sOH 2. металл, галоген В) Hg ( NO 3 ) 2 3. м еталл, кислород Г) AuBr 3 4. в одород, галоген 5. водород, кислород 6. металл, кислота, кислород Ход рассуждений: 1. При электролизе Al 2 ( SO 4 ) 3 и С sOH на катоде идет восстановление воды до водорода. Исключаем варианты 1, 2, 3 и 6. 2. Для Al 2 ( SO 4 ) 3 на аноде окисляется вода до кислорода. Выбираем вариант 5. Для С sOH на аноде окисляется гидроксид ион до кислорода. Выбираем вариант 5. 3. При электролизе Hg ( NO 3 ) 2 и А uBr 3 на катоде идёт восстановление катионов металла. 4. Для Hg ( NO 3 ) 2 на аноде окисляется вода. Нитрат ионы в растворе связываются с катионами водорода, образуя в анодном пространстве азотную кислоту. Выбираем вариант 6. 5. Для А uBr 3 на аноде окисляется анион Br - до Br 2 . Выбираем вариант 2. А Б В Г 5 5 6 2 В3. (В ар.1 ) Установите соответствие между названием вещества и способом его получения. НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ А) литий 1) раствора LiF Б) фтор 2) расплава LiF В) серебро 3) раствора MgCl 2 Г) магний 4) раствора AgNO 3 5) расплава Ag 2 O 6) расплава MgCl 2 Ход рассуждений: 1. Аналогично электролизу расплава хлорида натрия, протекает процесс электролиза расплава фторида лития. Для вариантов А и Б выбираем ответы 2. 2. Серебро возможно восстановить из раствора её соли – нитрата серебра. 3. Из раствора соли магний восстановить нельзя. В ыбираем вариант 6 – расплав хлорида магния. А Б В Г 2 2 4 6 В3. (Вар.9) Установите соответствие между формулой соли и уравнением процесса, протекающего на катоде при электролизе её водного раствора. ФОРМУЛА СОЛИ УРАВНЕНИЕ КАТОДНОГО ПРОЦЕССА А ) Al ( NO 3 ) 3 1) 2 H 2 O – 4 e - → O 2 + 4 H + Б ) CuCl 2 2) 2H 2 O + 2e - → H 2 + 2O H - В ) SbCl 3 3) Cu 2+ + 1e - → Cu + Г ) Cu(NO 3 ) 2 4) Sb 3+ - 2 e - → Sb 5+ 5) Sb 3+ + 3e - → Sb 0 6) Cu 2+ + 2 e - → Cu 0 Ход рассуждений: 1. На катоде протекают процессы восстановления катионов металлов либо воды . Поэтому сразу исключаем варианты 1 и 4. 2. Для Al ( NO 3 ) 3 : на катоде идёт процесс восстановления воды. Выбираем вариант 2. 3. Для CuCl 2 : восстанавливаются катионы металла Cu 2+ . Выбираем вариант 6. 4. Для Sb С l 3 : восстанавливаются катионы металла Sb 3+ . Выбираем вариант 5 . 5. Для Cu ( NO 3 ) 2 : восстанавливаются катионы металла Cu 2+ . Выбираем вариант 6. А Б В Г 2 6 5 6