Запишите уравнения процессов на катоде и аноде

Электролиз

Электролиз (греч. elektron — янтарь + lysis — разложение) — химическая реакция, происходящая при прохождении постоянного тока через электролит. Это разложение веществ на их составные части под действием электрического тока.

Процесс электролиза заключается в перемещении катионов (положительно заряженных ионов) к катоду (заряжен отрицательно), и отрицательно заряженных ионов (анионов) к аноду (заряжен положительно).

Итак, анионы и катионы устремляются соответственно к аноду и катоду. Здесь и происходит химическая реакция. Чтобы успешно решать задания по этой теме и писать реакции, необходимо разделять процессы на катоде и аноде. Именно так и будет построена эта статья.

Катод

К катоду притягиваются катионы — положительно заряженные ионы: Na + , K + , Cu 2+ , Fe 3+ , Ag + и т.д.

Чтобы установить, какая реакция идет на катоде, прежде всего, нужно определиться с активностью металла: его положением в электрохимическом ряду напряжений металлов.

Если на катоде появился активный металл (Li, Na, K) то вместо него восстанавливаются молекулы воды, из которых выделяется водород. Если металл средней активности (Cr, Fe, Cd) — на катоде выделяется и водород, и сам металл. Малоактивные металлы выделяются на катоде в чистом виде (Cu, Ag).

Замечу, что границей между металлами активными и средней активности в ряду напряжений считается алюминий. При электролизе на катоде металлы до алюминия (включительно!) не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды — выделяется водород.

В случае, если на катод поступают ионы водорода — H + (например при электролизе кислот HCl, H₂SO₄) восстанавливается водород из молекул кислоты: 2H + — 2e = H₂

К аноду притягиваются анионы — отрицательно заряженные ионы: SO₄ 2- , PO₄ 3- , Cl — , Br — , I — , F — , S 2- , CH₃COO — .

При электролизе кислородсодержащих анионов: SO₄ 2- , PO₄ 3- — на аноде окисляются не анионы, а молекулы воды, из которых выделяется кислород.

Бескислородные анионы окисляются и выделяют соответствующие галогены. Сульфид-ион при оксилении окислении серу. Исключением является фтор — если он попадает анод, то разряжается молекула воды и выделяется кислород. Фтор — самый электроотрицательный элемент, поэтому и является исключением.

Анионы органических кислот окисляются особым образом: радикал, примыкающий к карбоксильной группе, удваивается, а сама карбоксильная группа (COO) превращается в углекислый газ — CO₂.

Примеры решения

В процессе тренировки вам могут попадаться металлы, которые пропущены в ряду активности. На этапе обучения вы можете пользоваться расширенным рядом активности металлов.

Теперь вы точно будете знать, что выделяется на катоде 😉

Итак, потренируемся. Выясним, что образуется на катоде и аноде при электролизе растворов AgCl, Cu(NO₃)₂, AlBr₃, NaF, FeI₂, CH₃COOLi.

Иногда в заданиях требуется записать реакцию электролиза. Сообщаю: если вы понимаете, что образуется на катоде, а что на аноде, то написать реакцию не составляет никакого труда. Возьмем, например, электролиз NaCl и запишем реакцию:

NaCl + H₂O → H₂ + Cl₂ + NaOH (обычно в продуктах оставляют именно запись «NaOH», не подвергая его дальнейшему электролизу)

Натрий — активный металл, поэтому на катоде выделяется водород. Анион не содержит кислорода, выделяется галоген — хлор. Мы пишем уравнение, так что не можем заставить натрий испариться бесследно 🙂 Натрий вступает в реакцию с водой, образуется NaOH.

Запишем реакцию электролиза для CuSO₄:

Медь относится к малоактивным металлам, поэтому сама в чистом виде выделяется на катоде. Анион кислородсодержащий, поэтому в реакции выделяется кислород. Сульфат-ион никуда не исчезает, он соединяется с водородом воды и превращается в серую кислоту.

Электролиз расплавов

Все, что мы обсуждали до этого момента, касалось электролиза растворов, где растворителем является вода.

Перед промышленной химией стоит важная задача — получить металлы (вещества) в чистом виде. Малоактивные металлы (Ag, Cu) можно легко получать методом электролиза растворов.

Но как быть с активными металлами: Na, K, Li? Ведь при электролизе их растворов они не выделяются на катоде в чистом виде, вместо них восстанавливаются молекулы воды и выделяется водород. Тут нам как раз пригодятся расплавы, которые не содержат воды.

В безводных расплавах реакции записываются еще проще: вещества распадаются на составные части:

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2022

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Правила составления окислительно-восстановительных реакций

Электролиз растворов электролитов с инертными электродами

Напомним, что на катоде протекают процессы восстановления, на аноде — процессы окисления.

Процессы, протекающие на катоде:

В растворе имеются несколько видов положительно заряженных частиц, способных восстанавливаться на катоде:

1) Катионы металла восстанавливаются до простого вещества, если металл находится в ряду напряжений правее алюминия (не включая сам Al). Например:
Zn 2+ +2e → Zn 0 .

2) В случае раствора соли или щелочи: катионы водорода восстанавливаются до простого вещества, если металл находится в ряду напряжений металлов до H2:
2H2O + 2e → H2 0 + 2OH – .
Например, в случае электролиза растворов NaNO3 или KOH.

3) В случае электролиза раствора кислоты: катионы водорода восстанавливаются до простого вещества:
2H + +2e → H2.
Например, в случае электролиза раствора H2SO4.

Процессы, протекающие на аноде:

На аноде легко окисляются кислотные остатки не содержащие кислород. Например, галогенид-ионы (кроме F – ), сульфид-анионы, гидроксид-анионы и молекулы воды:

1) Галогенид-анионы окисляются до простых веществ:
2Cl – – 2e → Cl2.

2) В случае электролиза раствора щелочи в гидроксид-анионах кислород окисляется до простого вещества. Водород уже имеет степень окисления +1 и не может быть окислен дальше. Также будет выделение воды — почему? Потому что больше ничего написать и не получится: 1) H + написать не можем, так как OH – и H + не могут стоять по разные стороны одного уравнения; 2) H2 написать также не можем, так как это был бы процесс восстановления водорода (2H + +2e → H2), а на аноде протекают только процессы окисления.
4OH – – 4e → O2 + 2H2O.

3) Если в растворе есть анионы фтора или любые кислородсодержащие анионы, то окислению будет подвергаться вода с подкислением прианодного пространства согласно следующему уравнению:
2H2O – 4e → O2 + 4H + .
Такая реакция идет в случае электролиза растворов кислородсодержащих солей или кислородсодержащих кислот. В случае электролиза раствора щелочи окисляться будут гидроксид-анионы согласно правилу 2) выше.

4) В случае электролиза раствора соли органической кислоты на аноде всегда происходит выделение CO2 и удвоение остатка углеродной цепи:
2R-COO – – 2e → R-R + 2CO2.

Примеры:

1. Раствор NaCl

Расписываем диссоциацию на ионы:
NaCl → Na + + Cl –

Металл Na стоит в ряду напряжений до алюминия, следовательно, восстанавливаться на катоде не будет (катионы остаются в растворе). Согласно правилу выше, на катоде восстанавливается водород. Хлорид-анионы будут окисляться на аноде до простого вещества:

К: 2Na + (в растворе)
2H2O + 2e → H2 0 + 2OH –
А: 2Cl – – 2e → Cl2

Коэффициент 2 перед Na + появился из-за наличия аналогичного коэффициента перед хлорид-ионами, так как в соли NaCl их соотношение 1:1.

Проверяем, что количество принимаемых и отдаваемых электронов одинаковое, и суммируем левые и правые части катодных и анодных процессов:

2Na + + 2Cl – + 2H2O → H2 0 + 2Na + + 2OH – + Cl2. Соединяем катионы и анионы:
2NaCl + 2H2O → H2 0 + 2NaOH + Cl2.

2. Раствор Na2SO4

Расписываем диссоциацию на ионы:
Na2SO4 → 2Na + + SO4 2–

Натрий стоит в ряду напряжений до алюминия, следовательно, восстанавливаться на катоде не будет (катионы остаются в растворе). Согласно правилу выше, на катоде восстанавливается только водород. Сульфат-анионы содержат кислород, поэтому окисляться не будут, также оставаясь в растворе. Согласно правилу выше, в этом случае окисляются молекулы воды:

К: 2H2O + 2e → H2 0 + 2OH –
А: 2H2O – 4e → O2 0 + 4H + .

Уравниваем число принимаемых и отдаваемых электронов на катоде и аноде. Для этого необходимо умножить все коэффициенты катодного процесса на 2:
К: 4H2O + 4e → 2H2 0 + 4OH –
А: 2H2O – 4e → O2 0 + 4H + .

Складываем левые и правые части катодных и анодных процессов:
6H2O → 2H2 0 + 4OH – + 4H + + O2 0 .

4OH- и 4H+ соединяем в 4 молекулы H2O:
6H2O → 2H2 0 + 4H2O + O2 0 .

Сокращаем молекулы воды, находящиеся по обе стороны уравнения, т.е. вычитаем из каждой части уравнения 4H2O и получаем итоговое уравнение гидролиза:
2H2O → 2H2 0 + O2 0 .

Таким образом, гидролиз растворов кислородсодержащих солей активных металлов (до Al включительно) сводится к гидролизу воды, так как ни катионы металлов, ни анионы кислотных остатков не принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, протекающих на электродах.

3. Раствор CuCl2

Расписываем диссоциацию на ионы:
CuCl2 → Cu 2+ + 2Cl –

Медь находится в ряду напряжений металлов после водорода, следовательно, только она будет восстанавливаться на катоде. На аноде будут окисляться только хлорид-анионы.

К: Cu 2+ + 2e → Cu 0
A: 2Cl – – 2e → Cl2

Записываем суммарное уравнение:
CuCl2 → Cu 0 + Cl2.

4. Раствор CuSO4

Расписываем диссоциацию на ионы:
CuSO4 → Cu 2+ + SO4 2–

Медь находится в ряду напряжений металлов после водорода, следовательно, только она будет восстанавливаться на катоде. На аноде будут окисляться молекулы воды, так как кислородсодержащие кислотные остатки в растворах на аноде не окисляются.

К: Cu 2+ + 2e → Cu 0
A: SO4 2– (в растворе)
2H2O – 4e → O2 + 4H + .

Уравниваем количество электронов на катоде и аноде. Для это умножим все коэффициенты катодного уравнения на 2. Количество сульфат-ионов также необходимо удвоить, так как в сульфате меди соотношение Cu 2+ и SO4 2– 1:1.

К: 2Cu 2+ + 4e → 2Cu 0
A: 2SO4 2– (в растворе)
2H2O – 4e → O2 + 4H + .

Записываем суммарное уравнение:
2Cu 2+ + 2SO4 2– + 2H2O → 2Cu 0 + O2 + 4H + + 2SO4 2– .

Соединив катионы и анионы, получаем итоговое уравнение электролиза:
2CuSO4 + 2H2O → 2Cu 0 + O2 + 2H2SO4.

5. Раствор NiCl2

Расписываем диссоциацию на ионы:
NiCl2 → Ni 2+ + 2Cl –

Никель находится в ряду напряжений металлов после алюминия и до водорода, следовательно, на катоде будут восстанавливаться и металл, и водород. На аноде будут окисляться только хлорид-анионы.

К: Ni 2+ + 2e → Ni 0
2H2O + 2e → H2 0 + 2OH –
A: 2Cl – – 2e → Cl2

Уравниваем количество электронов, принимаемых и отдаваемых на катоде и аноде. Для этого умножаем все коэффициенты анодного уравнения на 2:

К: Ni 2+ + 2e → Ni 0
2H2O + 2e → H2 0 + 2OH –
Ni 2+ (в растворе)
A: 4Cl – – 4e → 2Cl2

Замечаем, что согласно формуле NiCl2, соотношение атомов никеля и хлора 1:2, следовательно, в раствор необходимо добавить Ni 2+ для получения общего количества 2NiCl2. Также это необходимо сделать, так как в растворе должны присутствовать противоионы для гидроксид-анионов.

Складываем левые и правые части катодных и анодных процессов:
Ni 2+ + Ni 2+ + 4Cl – + 2H2O → Ni 0 + H2 0 + 2OH – + Ni 2+ + 2Cl2.

Соединяем катионы и анионы для получения итогового уравнения электролиза:
2NiCl2 + 2H2O → Ni 0 + H2 0 + Ni(OH)2 + 2Cl2.

6. Раствор NiSO4

Расписываем диссоциацию на ионы:
NiSO4 → Ni 2+ + SO4 2–

Никель находится в ряду напряжений металлов после алюминия и до водорода, следовательно, на катоде будут восстанавливаться и металл, и водород. На аноде будут окисляться молекулы воды, так как кислородсодержащие кислотные остатки в растворах на аноде не окисляются.

К: Ni 2+ + 2e → Ni 0
2H2O + 2e → H2 0 + 2OH –
A: SO4 2– (в растворе)
2H2O – 4e → O2 + 4H + .

Проверяем, что количество принятых и отданных электронов совпадает. Также замечаем, что в растворе есть гидроксид-ионы, но в записи электродных процессов для них нет противоионов. Следовательно, нужно добавить в раствор Ni 2+ . Так как удвоилось количество ионов никеля, необходимо удвоить и количество сульфат-ионов:

К: Ni 2+ + 2e → Ni 0
2H2O + 2e → H2 0 + 2OH –
Ni 2+ (в растворе)
A: 2SO4 2– (в растворе)
2H2O – 4e → O2 + 4H + .

Складываем левые и правые части катодных и анодных процессов:
Ni 2+ + Ni 2+ + 2SO4 2– + 2H2O + 2H2O → Ni 0 + Ni 2+ + 2OH – + H2 0 + O2 0 + 2SO4 2– + 4H + .

Соединяем катионы и анионы и записываем итоговое уравнение электролиза:
2NiSO4 + 4H2O → Ni 0 + Ni(OH)2 + H2 0 + O2 0 + 2H2SO4.

В других источниках литературы также говорится об альтернативном протекании электролиза кислородсодержащих солей металлов средней активности. Разница состоит в том, что после сложения левых и правых частей процессов электролиза необходимо соединить H + и OH – с образованием двух молекул воды. Оставшиеся 2H + расходуются на образование серной кислоты. В этом случае не нужно прибавлять дополнительные ионы никеля и сульфат-ионы:

Ni 2+ + SO4 2– + 2H2O + 2H2O → Ni 0 + 2OH – + H2 0 + O2 0 + SO4 2– + 4H + .

Ni 2+ + SO4 2– + 4H2O → Ni 0 + H2 0 + O2 0 + SO4 2– + 2H + + 2H2O.

NiSO4 + 2H2O → Ni 0 + H2 0 + O2 0 + H2SO4.

7. Раствор CH3COONa

Расписываем диссоциацию на ионы:
CH3COONa → CH3COO – + Na +

Натрий стоит в ряду напряжений до алюминия, следовательно, восстанавливаться на катоде не будет (катионы остаются в растворе). Согласно правилу выше, на катоде восстанавливается только водород. На аноде будет происходит окисление ацетат-ионов с образованием углекислого газа и удвоением остатка углеродной цепи:

К: 2Na + (в растворе)
2H2O + 2e → H2 0 + 2OH –
А: 2CH3COO – – 2e → CH3-CH3 + CO2

Так как количества электронов в процессах окисления и восстановления совпадают, составляем суммарное уравнение:
2Na + + 2CH3COO – + 2H2O → 2Na + + 2OH – + H2 0 + CH3-CH3 + CO2

Соединяем катионы и анионы:
2CH3COONa + 2H2O → 2NaOH + H2 0 + CH3-CH3 + CO2.

8. Раствор H2SO4

Расписываем диссоциацию на ионы:
H2SO4 → 2H + + SO4 2–

Из катионов в растворе присутствуют только катионы H+, они и будут восстанавливаться до простого вещества. На аноде будет протекать окисление воды, так как кислород содержащие кислотные остатки в растворах на аноде не окисляются.

К: 2H + +2e → H2
A: 2H2O – 4e → O2 + 4H +

Уравниваем число электронов. Для этого удваиваем каждый коэффициент в уравнении катодного процесса:

К: 4H + +4e → 2H2
A: 2H2O – 4e → O2 + 4H +

Суммируем левые и правые части уравнений:
4H + + 2H2O → 2H2 + O2 + 4H +

Катионы H + находятся в обеих частях реакции, следовательно, их нужно сократить. Получаем, что в случае растворов кислот, электролизу подвергаются только молекулы H2O:
2H2O → 2H2 + O2.

9. Раствор NaOH

Расписываем диссоциацию на ионы:
NaOH → Na + + OH –

Натрий стоит в ряду напряжений до алюминия, следовательно, восстанавливаться на катоде не будет (катионы остаются в растворе). Согласно правилу, на катоде восстанавливается только водород. На аноде будут окисляться гидроксид-анионы с образованием кислорода и воды:

К: Na+ (в растворе)
2H2O + 2e → H2 0 + 2OH –
А: 4OH – – 4e → O2 + 2H2O

Уравниваем число электронов, принимаемых и отдаваемых на электродах:

К: Na + (в растворе)
4H2O + 4e → 2H2 0 + 4OH –
А: 4OH – – 4e → O2 + 2H2O

Суммируем левые и правые части процессов:
4H2O + 4OH – → 2H2 0 + 4OH – + O2 0 + 2H2O

Сокращая 2H2O и ионы OH – , получаем итоговое уравнение электролиза:
2H2O → 2H2 + O2.

Вывод:
При электролизе растворов 1) кислородсодержащих кислот;
2) щелочей;
3) солей активных металлов и кислородсодержащих кислот
на электродах протекает электролиз воды:
2H2O → 2H2 + O2.

Расчеты массы веществ и составление уравнений электродных процессов при электролизе растворов электролитов

Расчет массы гидроксида калия, образовавшегося при электролизе раствора фосфата калия

Задача 199.
Сколько граммов KOH образуется у катода при электролизе раствора K₃PO₄ если на аноде выделилось 11,2 л кислорода?
Решение:
Уравнение диссоциации соли:

Стандартный электродный потенциал системы К + + 1ē = К 0 (-2,92 В) значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода, а ионы К+, приходящие к катоду, будут накапливаться в прилегающей к нему зоне (катодное пространство):

На аноде будет происходить электрохимическое окисление ионов ОН — , приводящее к выделению кислорода:

поскольку отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+0,54 В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (+1,23 В), характеризующий систему: 2Н₂О — 4ē = О₂↑ + 4Н + .

Уравнения электродных процессов:

К(-): 2|(–)2H₂O + 2ē → H₂↑ + 2OH — (в растворе: K⁺, 2OH⁻);
А(+): 1|(+)2H₂O – 4ē → 4H + + O₂↑ (В растворе: 4H + , PO₄ 3- ).

Сложив уравнения электродных процессов на катоде и аноде, получим полное ионно-молекулярное уравнение электролиза соли К₃РО₄:

После приведения равенства получим молекулярное уравнение электролиза:

С учетом того, что диссоциация соли фосфата калия в растворе протекает полностью, запишем молекулярное уравнение реакции её электролиза, получим:

Из уравнения электролиза К₃РО₄ вытекает, что на 1 моль О₂ образуется 3 моль КОН, т.е. n(O₂) = 3n(KOH).

Находим количество выделившегося кислорода, получим:

n(KOH) = 3n(O₂) = 0,5 • 3 = 1,5 моль.

m(KOH) = n(KOH)•M(KOH) = 1,5 • 56 = 84 г.

Ответ: m(KOH) = 84 г.

Расчет количество вещества меди, перешедшего в раствор с анода при электролизе сульфата меди (II)

Задача 200.
При электролизе водного раствора сульфата меди (II) с медным анодом масса катода увеличилась на 3,2 г. Какое количество вещества меди перешло в раствор с анода?
Ответ: 0,05 моль.
Решение:
Уравнение диссоциации сульфата меди:

Стандартный электродный потенциал системы: Cu 2+ + 2ē ⇔ Cu 0 (+0,34 В) значительно положительнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление ионов меди: Cu 2+ + 2ē ⇔ Cu 0 .
На аноде будет происходить электрохимическое окисление меди – материала анода, поскольку, отвечающий системе:
Cu 0 — 2ē ⇔ Cu 2+ (+0,34 В) значительно ниже 2SO₄ 2- + 2ē ⇔ S₂O₈ 2- (+2,01 В). Ионы SO₄ 2- , движущиеся к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве. Таким образом, на аноде будет происходить растворение меди — материал анода, а на катоде – отложение чистой меди.
Уравнения электродных процессов:

А(+): Cu 0 — 2ē ⇔ Cu 2+
К(-): Cu 2+ + 2ē ⇔ Cu 0

Суммарное уравнение катодного и анодного процессов будет иметь вид:

2Cu 0 + Cu 2+ = Cu 2+ + Cu 0
анод катод

Таким образом, при электролизе CuSO4 на катоде будет наблюдаться выделение чистой меди, на аноде — растворение медного электрода (медь анода будет переходить в раствор в виде ионов Cu 2+ ). Значит, n_катод(Cu) = n_анод(Cu)

n_катод(Cu) = n_анод(Cu) = m(Cu)/M(Cu) = 3,2/64 = 0,05 моль.

Ответ: 0б5 моль.

Расчет массы металла и объема газа, выделившихся при электролизе раствора соли

Задача 201.
Через растворы NiSO₄ и Pb(NO₃)₂ пропускали одно и то же количество электричества. На одном из катодов выделилось 25,9 г свинца. Сколько граммов никеля выделилось на другом катоде? Какой газ и в каком объеме, измеренном при нормальных условиях, выделился на каждом из электродов?
Решение:
М(Ni) = 58,6934 г/моль;
M(Pb) = 207,2 г/моль;
m(Pb) = 25,9 г;
m(Ni) = ?
V(H₂) = ?
V(O₂) = ?
Для никеля и свинца, как металлов со средней химической активностью, расположенных в ряду активности после алюминия, на катоде происходят одновременно две
реакции – образование водорода и выделение металла.
Так как NiSO₄ и Pb(NO₃)₂ являются кислородсодержащими кислотами, то на аноде будет происходить окисление воды с выделением кислорода.
Схемы электродных процессов электролиза водных растворов солей NiSO₄ и Pb(NO₃)₂ выглядят следующим образом:

Суммарное ионно-молекулярное уравнение:

После приведения членов, получим:

Суммарное молекулярное уравнение:

Суммарное ионно-молекулярное уравнение:

После приведения членов, получим:

Суммарное молекулярное уравнение:

Из суммарных уравнений процессов электролизов солей вытекает, что при электролизе водных растворов NiSO₄ и Pb(NO₃)₂ при пропускании через их растворы одного и того же количества электричества, на катодах будет выделяется метал и водород, на анодах — кислород, в равных количествах.

n(Pb) = n(Ni) = n(H₂) = n(O₂)
n(Pb) = m(Pb)/M(Pb) = 25,9/207,2 = 0,125 моль.

m(Ni) = n(Ni) • M(Ni) = 0,125 • 58,6934 = 7,3 г.
V(H₂) = n(H₂) • Vm = 0,125 • 22,4 = 2,8 л.
V(O₂) = V(H₂) = 2,8 л.

Ответ: m(Ni) = 7,3 г; V(H₂) = 2,8 л; V(O₂) = 2,8 л.

Электролиз раствора гидроксида натрия

Задача 202.
При электролизе водного раствора NaOH, через Pt-электроды пропустили ток, силой 3 А. Напишите уравнения электродных реакций. Рассчитайте объемы газов, выделившихся на электродах за 3 часа (н. у.).
Решение:
Электродные процессы:

на катоде: 2|2Н₂О + 2ē = Н₂↑ + 2ОН − ;
на аноде: 1|2Н₂О — 4ē = О₂↑ + 4Н + .

Суммарное уравнение процесса получим, умножив уравнение на катоде на два и, сложив его с анодным уравнением:

6Н2О = 2Н₂↑ + 4ОН − + О₂↑ + 4Н + .
у катода у анода

При вычислении объёмов выделившихся газов представим уравнение Фарадея в следующем виде:

Здесь V – объём выделившегося газа, л;
m(B) – масса выделившегося вещества, г;
V_Э – эквивалентный объём газа, л/моль;
М_Э(В) – масса эквивалента вещества, г/моль;
I – сила тока, А;
t – время, с;
F – число Фарадея, 96500 Кл/моль.

V(H₂) = 11,2•3•10800/96500 = 3,76 л;
V(О₂) = 5,6•3•10800/96500 = 1,88 л.

Электролиз раствора сульфата цинка

Задача 203.
Какие реакции протекают на электродах при электролизе раствора сульфата цинка: а) с графитовым анодом; б) с цинковым анодом.
Решение:
а) электролиз раствора сульфата цинка с графитовым анодом

1-й вариант электролиза раствора сульфата цинка с графитовым анодом

Для цинка, как металла со средней химической активностью, расположенного в ряду активности после алюминия, на катоде происходят одновременно две
реакции – образование водорода и выделение металла.
Так как ZnSO4 является кислородсодержащей кислотой, то на аноде будет происходить окисление воды с выделением кислорода.
Схемы электродных процессов электролиза раствора ZnSO4 выглядят следующим образом:

ZnSO₄ = Zn 2+ + SO₄ 2- (диссоциация соли)
К(-): 1|Zn 2+ + 2ē = Zn 0
1|2Н₂О + 2ē = Н₂↑ + 2ОН —
А(+): 1|2Н₂О — 4ē = О₂↑ + 4Н +

Суммарное ионно-молекулярное уравнение:

После приведения членов, получим:

Суммарное молекулярное уравнение:

Таким образом, при электролизе раствора сульфата цинка с угольным электродом на катоде будет наблюдаться выделение газообразного водорода и металлического цинка, а на аноде будет наблюдаться выделение газообразного кислорода.

Выводы:
1) В случае электролиза водного раствора ZnSO₄ одновременно протекают два процесса:

2-й вариант электролиза раствора сульфата цинка с графитовым анодом

Рассмотрим альтернативное протекание электролиза водного раствора ZnSO₄.
Замечено, что в растворе есть гидроксид-ионы (ОН — ), но в предыдущей записи электродных процессов для них нет противоионов. Следовательно, нужно добавить в раствор (Zn 2+ ). Так как удвоилось количество ионов цинка, необходимо удвоить и количество сульфат-ионов:

К(-): Zn 2+ + 2ē = Zn 0
2Н₂О + 2ē = Н₂↑ + 2ОН —
Zn 2+ (в растворе)
А(+): 2Н₂О — 4ē = О₂↑ + 4Н +
2SO₄ 2- (в растворе)

Складываем левые и правые части катодных и анодных процессов получим суммарное ионно-молекулярное уравнение:

Zn 2+ + 2H₂O + Zn 2+ + + 2H₂O + 2SO₄ 2- = Zn 0 + Zn 2+ + Н₂↑ + + 2ОН — + О₂↑ + 2SO₄ 2- + 4Н + .

Соединяем катионы и анионы и записываем итоговое уравнение электролиза, получим:

Выводы:
1) В случае электролиза водного раствора ZnSO₄ одновременно протекают два процесса:

Таким образом, при электролизе раствора сульфата цинка с угольным электродом на катоде будет наблюдаться выделение газообразного водорода, металлического цинка и гидроксида цинка, а на аноде будет наблюдаться выделение газообразного кислорода.

б) электролиз раствора сульфата цинка с цинковым анодом

На катоде так же как и при электролизе раствора ZnSO₄ с угольным электродом происходят одновременно две реакции – образование водорода и выделение металла, а ионы цинка Zn2+, приходящие к катоду, будут накапливаться в прилегающей к нему части раствора (катодное пространство).
На аноде будет происходить электрохимическое окисление цинка – материала анода, поскольку, отвечающий системе: Zn 0 + 2ē ⇔ Zn 2+ (-0,76 В) значительно ниже системы:
S₂O₈ 2- +2ē =2SO₄ 2- (+2,01 В).
Сульфат-ионы, движущиеся к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве.
Таким образом, на аноде будет происходить растворение цинка — материал анода, а на катоде – выделение газообразного водорода и малорастворимого соединения Zn(OH)₂ [Zn 2+ + 2OH — = Zn(OH)₂].
Уравнения электродных процессов:

К(-): 1|Zn 2+ + 2ē = Zn 0
1|2Н₂О + 2ē = Н₂↑ + 2ОН —
A(+): 2|Zn 0 — 2ē = Zn 2+

Суммарное ионно-молекулярное уравнение:

Zn 2+ + 2H₂O + 2Zn 0 = Zn 0 + Н₂↑ + 2OH — + Zn 2+
у катода у анода

После приведения равенства, получим:

2H₂O + Zn 0 = Н₂↑ + 2OH — + Zn 2+ (ионно-молекулярная форма);
2H₂O + Zn 0 = Н₂↑ + Zn(ОН₂ (молекулярная форма).

Таким образом, при электролизе ZnSO₄ с цинковым анодом на катоде будет наблюдаться выделение газообразного водорода и в осадок выпадает гидроксид цинка, на аноде будет происходить растворение материала анода (цинк).