Электролиз расплавов и растворов. Задание 22 по химии ЕГЭ.

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:

1. Один из электродов подключают к положительному полюсу внешнего источника постоянного тока, он служит анодом, а другой электрод, подключенный к отрицательному полюсу служит катодом. 
2. В процессе электролиза к положительному электроду-аноду направляются отрицательно заряженные ионы-анионы, отдающие электроны, что характеризует процесс окисления.
3. К отрицательно заряженному катоду поступают положительно заряженные ионы-катионы, присоединяющие электроны, то есть на катоде происходит процесс восстановления
4. 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                                                      2C^l- -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:

NO^2- + H₂O –e = NO^3- + 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.