Мы начинаем серию статей детального рассмотрения заданий из ЕГЭ по химии 2020, «подводных камней» и теоретических основ для успешного прохождения каждого задания. Для более эффективного изучения темы информация будет даваться блоками. То есть задания 30, 21 будут рассматриваться в одном блоке, задания 24, 20 –также в одном блоке и так далее.
Сегодня мы приступаем к задачам 22-23.
22 задание егэ химия которого проверяет знания по электролизу расплавов и растворов.
Что такое электролиз? Это совокупность процессов, протекающих при прохождении постоянного электрического тока через систему, состоящую из двух электродов и раствора или расплава электролита. А вот электролиты-это вещества (растворы, расплавы) которых проводят электрически ток. Электролиты в расплавах и растворах диссоциируют на ионы. При это в расплавах существуют только ионы, получаемые только при диссоциации молекул растворенного вещества, в то время как в растворах – ионы, получаемые при диссоциации растворенного вещества, равно как и ионы, образующиеся при диссоциации молекул растворителя – воды.
Процесс электролиза происходит при опущенных в ванну с раствором или расплавом электролита стержнях-электродах, подключенных к сети постоянного тока. Стержни могут быть выполнены из различных материалов (платина, графит, уголь). От этого зависит и инертность электродов, то есть участвуют ли они непосредственно в реакции или нет. Мы чуть ниже рассмотрит это более подробно.
Выбор материала для электрода определяется техническими задачами, поскольку иногда необходимо участие электрода в происходящем химическом преобразовании, а иногда к нему предъявляется требование инертности ( кстати, в 21 задании ученики с 98% вероятностью столкнуться только с инертными электродами).
Схема процесса:
- Один из электродов подключают к положительному полюсу внешнего источника постоянного тока, он служит анодом, а другой электрод, подключенный к отрицательному полюсу служит катодом.
- В процессе электролиза к положительному электроду-аноду направляются отрицательно заряженные ионы-анионы, отдающие электроны, что характеризует процесс окисления.
- К отрицательно заряженному катоду поступают положительно заряженные ионы-катионы, присоединяющие электроны, то есть на катоде происходит процесс восстановления
- В результате электролиза на аноде и катоде выделяются соответствующие продукты окисления и восстановления, а в электролизёре остаются ионы, не участвующие в электродных процессах, что приводит к образованию вторичных продуктов электролиза.
Важно! Окислительно-восстановительное действие электрического тока может быть во много раз сильнее действия химических окислителей и восстановителей. Регулируя напряжение на электродах, можно создать окислители и восстановители любой силы.
Мы не будем в этой статье подробно углубляться в математическое выражение законов Фарадея (точнее вообще не будем рассматривать), но попробуем подробно рассмотреть качественную сторону процесса электролиза. Она зависит от многих обстоятельств: химического состава электролита, его состояния (расплав, раствор), материала электродов.
Например, у нас есть расплав хлорида натрия. Рассмотрим его электролиз.
Катод: Катод:
Na++e=Na0 2Cl- -2e=Cl20
В случае электролиза растворов, наряду с ионами растворенного вещества. Присутствуют ионы водорода и гидрокси-группы. При этом на катод в процессе электролиза направляются катионы металла и протоны, а на анод-анионы молекул растворенного вещества и OH— .
Процесс восстановления на катоде связан с тем, насколько активен металл, образующий катион.
В первую очередь на катоде восстанавливаются металлы, стоящие в ряду напряжения справа от водорода ( Au, Pt, Hg, Ag, Cu). Поэтому в случае электролиза растворов солей этих металлов на катоде выделяются металлы в свободном состоянии.
Если электролизу подвергаются соли активных металлов, стоящих в ряду напряжения слева от водорода, от лития до алюминия включительно, они не восстанавливаются на катоде, вместо них восстанавливаются катионы водорода из воды по схеме 2H+ +2e=H2 с выделением свободного водорода.
Катионы металлов, стоящих в ряду справа от алюминия до водорода, также, как и металлы, стоящие в ряду напряжений справа от водорода, восстанавливаются на катоде по схеме: Me n+ +ne=Me0
Анодный процесс, в котором участвуют анионы соли и гидроксил ОН воды, зависит от природы аниона соли и материала, из которого сделан анод.
При электролизе могут быть использованы два типа анодных электродов-активные (расходуемые) и инертные (нерасходуемые). Активные аноды окисляются, переходя в раствор в виде ионов, при этом расходуется материал, из которого анод изготовлен, поэтому еще одно название таких электродов-растворимые.
Например, при электролизе водного раствора сульфата меди с медным анодом на аноде идет процесс Cu — 2e=Cu2+ в то время как на катоде восстановление ионов меди Сu2+ + 2e=Cu, электролиз сводится к переносу меди с анода на катод. Такого рода процессы применяются активно в металлургии, для рафинирования металлов, в частности, для получения чистой электротехнической меди.
Инертные (нерасходуемые) или нерастворимые аноды изготавливаются из материалов, которые при электролизе не подвергаются окислению, обычно из графита-угольные или из платины-платиновые.
Бескислородные анионы, крое фтор-аниона, будут окисляться в первую очередь, при этом из анионов хлора, брома и серы образуются соответственно хлор бром и сера.
Если же анионы соли содержат кислород, они не участвуют в электродном процессе тогда, когда неметалл кислотного остатка имеет максимальную степень окисления. При этом разряжаются ионы ОН— воды с образованием кислорода по схеме: 4OH-4e → O2 +2H2O
Атомы, содержащие неметалл в промежуточной степени окисления, сами окисляются на аноде, например:
NO2- + H2O –e = NO3- + 2H+
Оставшиеся в растворе ионы, не разрядившиеся ни на катоде, ни на аноде, являются вторичными продуктами электролиза.
А теперь попробуйте для закрепления прочитанного материала решить задачу (это вариант 22 задания егэ по химии):
Установите соответствие между наименованием соли и продуктами электролиза водного раствора этой соли, выделившихся на инертных электродах.
Соль | Процесс на инертном электроде |
А) сульфат цинка | 1. Cl2 Cu |
Б) хлорид меди | 2. H2, O2 |
В) фторид калия | 3. H2, F2 |
Г) нитрат магния | 4. H2 NO2 |
5. Zn, SO2 |