Электролиз растворов и расплавов

Что такое электролиз

Обычная реакция идёт сама, потому что веществам так энергетически выгодно. Электролиз — противоположность: постоянный электрический ток «навязывает» веществам превращение, которое само по себе не пошло бы. Батарейка отдаёт ток за счёт химии, а при электролизе ток заставляет химию работать. Зарядка аккумулятора телефона — как раз такой процесс.

Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс на электродах, погружённых в электролит (расплав или раствор). Запомни два электрода через процессы, а не через знаки:

• Катод — на нём идёт восстановление: катионы принимают электроны;
• Анод — на нём идёт окисление: анионы или вода отдают электроны.

Электролизом в промышленности получают алюминий (из расплава Al₂O₃), хлор и щёлочь (из раствора NaCl), наносят гальванические покрытия и очищают медь.

Электролиз расплава — самый простой случай

В расплаве воды нет — есть только ионы самой соли. Конкурентов у них нет, поэтому на катоде восстанавливается катион металла, а на аноде окисляется анион. Для расплава NaCl: катод (−) Na⁺ + e⁻ → Na⁰; анод (+) 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂↑.

Так получают самые активные металлы — натрий, калий, кальций, магний, алюминий. Из раствора их не достать, и сейчас станет понятно почему.

Электролиз раствора: правила катода

В растворе у катионов появляется конкурент — вода. Кто разрядится на катоде, решает положение металла в ряду активности:

1. Активные металлы, от Li до Al включительно, из раствора не восстанавливаются. Вместо них разряжается вода: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻. На катоде — водород.
2. Металлы средней активности, между Al и H₂ (Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb), выделяются вместе с водородом.
3. Малоактивные металлы, после H₂ (Cu, Hg, Ag, Au), дают только металл: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰.

Мнемоника: чем «благороднее» металл, тем охотнее он садится на катод. Активные металлы вода обыгрывает всегда.

Электролиз раствора: правила анода

Для инертного анода (графит, платина — сам не окисляется) два случая:

• Бескислородные анионы Cl⁻, Br⁻, I⁻, S²⁻ окисляются сами: 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂↑.
• Кислородсодержащие анионы SO₄²⁻, NO₃⁻, PO₄³⁻, CO₃²⁻ и фторид F⁻ не разряжаются — вместо них окисляется вода: 2H₂O − 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺. На аноде — кислород.

Если анод растворимый (медный, никелевый), окисляется сам материал анода: Cu⁰ − 2e⁻ → Cu²⁺. На этом держатся рафинирование меди и гальваника.