Результаты ЕГЭ показывают, что задания по теме “Электролиз” для выпускников остаются сложными. В школьной программе на изучение этой темы отводится недостаточное количество часов. Поэтому при подготовке школьников к ЕГЭ необходимо изучить этот вопрос очень подробно. Знание основ электрохимии поможет выпускнику успешно сдать экзамен и продолжить обучение в высшем учебном заведении.
Для изучения темы “Электролиз” на достаточном уровне необходимо провести подготовительную работу с выпускниками, сдающими ЕГЭ:
- рассмотреть определения основных понятий в теме “Электролиз”;
- анализа процесса электролиза расплавов и растворов электролитов;
- закрепить правила восстановления катионов на катоде и окисления анионов на аноде (роль молекул воды во время электролиза растворов);
- формирование умений составлять уравнения процесса электролиза (катодный и анодный процессы);
- научить учащихся выполнять типовые задания базового уровня (задачи), повышенного и высокого уровня сложности.
Электролиз – окислительно-восстановительный процесс, протекающий в растворах и расплавах электролитов при прохождении постоянного электрического тока. В растворе или расплаве электролита происходит его диссоциация на ионы. При включении электрического тока ионы приобретают направленное движение и на поверхности электродов могут происходить окислительно-восстановительные процессы.
Анод – положительный электрод, на нём идут процессы окисления.
Катод – отрицательный электрод, на нём идут процессы восстановления.
Электролиз расплавов применяется для получения активных металлов, расположенных в ряду напряжений до алюминия (включительно).
Электролиз расплава хлорида натрия
К(-) Na+ + 1e —> Na0
A(+) 2Cl- - 2e —> Cl20
2NaCl(эл.ток) —> 2Na + Cl2 (только при электролизе расплава).
Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия в расплавленном криолите (Na3AlF6).
2Al2O3(эл.ток) —>4Al +3O2
K(-)Al3++3e‾ —>Al
A(+)2O2‾-2e‾ —>O2
Электролиз расплава гидроксида калия .
KOH—>K+ +OH‾
К(-) K+ + 1e —> K0
A(+) 4OH- - 4e —> O20 +2Н2О
4KOH(эл.ток) —> 4K0 + O20 +2Н2О
Электролиз водных растворов протекает сложнее, так как на электродах в этом случае могут восстанавливаться или окисляться молекулы воды.
Электролиз водных растворов солей более сложен из-за возможного участия в электродных процессах молекул воды на катоде и на аноде.
Правила электролиза в водных растворах.
На катоде:
1. Катионы, расположенные в ряду напряжений металлов от лития до алюминия (включительно), а также катионы NН4+ не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды:
2Н2О + 2е —> Н2 + 2ОН-
2. Катионы, расположенные в ряду напряжений после алюминия до водорода, могут восстанавливаться вместе с молекулами воды:
2Н2О + 2е —> Н2 + 2ОН-
Zn2+ + 2e —> Zn0
3. Катионы, расположенные в ряду напряжений после водорода, полностью восстанавливаются: Аg+ + 1е —> Аg 0
4. В растворах кислот восстанавливаются ионы водорода: 2Н+ + 2е —> Н2
На аноде:
1. Кислородосодержащие анионы и F- – не окисляются, вместо них окисляются молекулы воды:
2Н2О – 4е —> О2 + 4Н+
2.Анионы серы, иода, брома, хлора (в этой последовательности) окисляются до простых веществ:
2Сl- – 2е —> Сl20 S2- - 2е —> S 0
3. В растворах щелочей окисляются гидроксид-ионы:
4ОН- - 4е —> О2 + 2Н2О
4. В растворах солей карбоновых кислот окисляются анионы:
2 R - СОО- - 2е —> R - R + 2СО2
5. При использовании растворимых анодов электроны во внешнюю цепь посылает сам анод за счёт окисления атомов металла, из которого сделан анод:
Сu0 - 2е —> Сu2+
Примеры процессам электролиза в водных растворах электролитов
Пример 1. K2 SO4—> 2K+ + SO42-
K(-)2H2O + 2e‾ —> H2 + 2OH-
A(+)2H2O – 4e‾ —> O2 + 4H+
Общее уравнение электролиза: 2H2O(эл.ток) —>2 H2 + O2
Пример 2. NaCl —>Na+ +Cl‾
K(-)2H2O + 2e‾ —> H2 + 2OH-
A(+) 2Cl- - 2e —> Cl20
2NaCl +2H2O(эл.ток ) —> H2 + 2NaOH + Cl2
Пример 3. Cu SO4 —> Cu2+ + SO42-
K(-) Cu2+ + 2e‾ —> Cu
A(+)2H2O – 4e‾ —> O2 + 4H+
Общее уравнение электролиза: 2 Cu SO4+ 2H2O(эл. ток ) —>2Cu + O2 + 2H2 SO4
Пример 4. CH3COONa—>CH3COO‾ +Na+
K(-)2H2O + 2e‾ —> H2 + 2OH-
A(+)2CH3COO‾– 2e‾ —>C2H6 +2CO2
Общее уравнение электролиза:
CH3COONa+2H2O(эл.ток) —> H2 + 2NaHCO3+C2H6
Задания базового уровня сложности
Тест по теме “Электролиз расплавов и растворов солей. Ряд напряжений металлов”.
1. Щёлочь – один из продуктов электролиза в водном растворе:
1) KCI 2) CuSO4 3) FeCI2 4) AgNO3
2. При электролизе водного раствора нитрата калия на аноде выделяется:
1) О2 2) NO2 3) N2 4) Н2
3. Водород образуется при электролизе водного раствора:
1) CaCI2 2) CuSO4 3)Hg(NO3)2 4) AgNO3
4. Реакция возможна между:
1) Ag и K2SO4 (р-р) 2) Zn и KCI(р-р) 3) Mg и SnCI2(р-р) 4) Ag и CuSO4(р-р)
5. При электролизе раствора иодида натрия у катода окраска лакмуса в растворе:
1) красная 2) синяя 3) фиолетовая 4) жёлтая
6. При электролизе водного раствора фторида калия на катоде выделяется:
1) водород 2) фтороводород 3) фтор 4) кислород
Задачи по теме “Электролиз”
1. Электролиз 400 г 20 %-ого раствора поваренной соли был остановлен, когда на катоде выделилось 11,2 л (н.у.) газа. Степень разложения исходной соли (в %) составляет:
1) 73 2) 54,8 3) 36,8 4) 18
Решение задачи.
Составляем уравнение реакции электролиза:
2NaCl + 2H2O→H2↑ +Cl2↑ +2NaOH
m(NaCl)=400∙0,2=80 г соли было в растворе.
ν(H2)=11,2/22,4=0,5 моль ν(NaCl)=0,5∙2=1 моль
m(NaCl)= 1∙58,5=58,5 г соли было разложено во время электролиза.
Степень разложения соли 58,5/80=0,73 или 73%.
Ответ: 73% соли разложилось.
2. Провели электролиз 200 г 10 %-ого раствора сульфата хрома (III) до полного расходования соли (на катоде выделяется металл). Масса (в граммах) израсходованной воды составляет:
1) 0,92 2) 1,38 3) 2,76 4) 5,52
Решение задачи.
Составляем уравнение реакции электролиза:
2Cr2(SO4)3 +6H2O→4Cr +3O2↑ +6H2SO4
m(Cr2(SO4)3)=200∙0,1=20г
ν(Cr2(SO4)3)=20/392=0,051моль
ν(H2O)=0,051∙3=0,153 моль
m(H2O)= 0,153∙18=2,76 г
Задания повышенного уровня сложности В3
1. Установите соответствие между формулой соли и уравнением процесса, протекающего на аноде при электролизе её водного раствора.
| ФОРМУЛА СОЛИ А) KCl Б) AlBr3 В) CuSO4 Г) AgNO3 |
УРАВНЕНИЕ
АНОДНОГО ПРОЦЕССА
1) 2H2O – 4e → O2 + 4H+ 2) 2H2O + 2e → H2 + 2OH- 3) 2Cl- -2e → Cl20 4) 2Br- - 2e → Br20 5) 2SO42- -2e → S2O82- 6) 2NO3- -2e → 2NO2 + O2 |
2. Установите соответствие между формулой соли и продуктом, образующимся на инертном аноде при электролизе её водного раствора.
| ФОРМУЛА СОЛИ А) RbSO4 Б) CH3COOK В) BaBr2 Г) CuSO4 |
ПРОДУКТ, ОБРАЗУЮЩИЙСЯ НА АНОДЕ 1) метан 2) сернистый газ 3) кислород 4) водород 5) бром 6) этан и углекислый газ |
3. Установите соответствие между формулой соли и уравнением процесса, протекающего на катоде при электролизе её водного раствора.
| ФОРМУЛА СОЛИ
А) Al(NO3)3 Б) CuCl2 В) SbCl3 Г) Cu(NO3)2 |
УРАВНЕНИЕ КАТОДНОГО ПРОЦЕССА 1) 2H2O – 4e → O2 + 4H+ 2 ) 2H2O + 2e → H2 + 2OH- 3) Cu2+ + 2e → Cu0 4) Cu2+ + 1e → Cu+ 5) Sb3+ +3e→ Sb0 |
4. Установите соответствие между названием вещества и способом его получения.
| НАЗВАНИЕ
ВЕЩЕСТВА А) литий Б) фтор В) серебро Г) магний |
ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ 1) раствора LiF 2) расплава LiF 3) раствора MgCl2 4) раствора AgNO3 5) расплава Ag2O 6) расплава MgCl2 |
5. Установите соответствие между названием вещества и продуктами электролиза его водного раствора.
| НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА А) бромид калия Б) сульфат меди (II) В) бромид меди (II) |
ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА 1) водород, бром, гидроксид калия 2) натрий, углекислый газ 3) медь, оксид серы (IV) 4) медь, кислород, серная кислота 5) медь, бром |
Ответы: 1 - 3411, 2 - 3653, 3 - 2353, 4 - 2246, 5 - 145 .
Таким образом, изучая тему электролиза, выпускники хорошо усваивают этот раздел и показывают хорошие результаты на экзамене. Изучение материала сопровождается презентацией по данной теме.