Задание 23: электролиз

Что проверяет задание 23

Электролиз часто кажется задачей на угадывание: нужно определить продукты на электродах, записать уравнения и не перепутать анод с катодом. На самом деле здесь работает чёткий алгоритм. Если ты научишься различать расплав и раствор, учитывать активность металла и правильно расставлять электроны, задание 23 станет предсказуемым. В этом разборе последовательно пройдём теорию, разберём полный пример и соберём ошибки, которые чаще всего снижают результат.

Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, который идёт под действием постоянного электрического тока. В электролитической ячейке катионы движутся к катоду, а анионы — к аноду. Важно: катод всегда является местом восстановления, анод — местом окисления. Знаки электродов при электролизе отличаются от гальванического элемента: катод отрицательный, анод положительный.

Перед решением определи три вещи: что находится в электролите, является ли это расплавом или раствором и какие частицы реально могут разряжаться на электродах. Для бесплатной практики можно открыть личный кабинет и решать похожие задания после теории.

Электролиз расплавов

В расплаве нет воды, поэтому конкурируют только ионы исходного вещества. Это самый простой случай. На катоде восстанавливается катион металла, а на аноде окисляется анион кислотного остатка. Для хлорида металла образуются металл и хлор, для оксида активного металла — металл и кислород.

Алгоритм такой: запиши формулу вещества, раздели её на ионы, направь катион к катоду, анион к аноду, затем составь полуреакции и уравняй электроны. Не забывай, что галогены в простом веществе существуют в двухатомных молекулах: Cl₂, Br₂, I₂.

NaCl(расплав):
катод: Na⁺ + e⁻ → Na
анод: 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂
суммарно: 2NaCl → 2Na + Cl₂

Al₂O₃(расплав):
катод: Al³⁺ + 3e⁻ → Al
анод: 2O²⁻ − 4e⁻ → O₂
суммарно: 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂

В заданиях могут спрашивать массу выделившегося вещества, объём газа или количество электронов. Сначала найди количество вещества продукта по уравнению, а затем используй n = m/M или V = n × Vₘ. При нормальных условиях молярный объём газа принимают равным 22,4 л/моль.

Электролиз растворов

В водном растворе появляется конкуренция с молекулами воды. Поэтому нельзя автоматически считать, что любой катион превратится в металл. На катоде малоактивные металлы обычно восстанавливаются, а катионы активных металлов уступают воде: образуются водород и гидроксид-ионы.

Участок	Что может происходить	Пример
Катод	Восстановление катиона металла или воды	Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu; 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
Анод	Окисление галогенид-иона или воды	2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂; 2H₂O − 4e⁻ → O₂ + 4H⁺

На катоде обычно выделяются Cu, Ag, Hg и другие малоактивные металлы. Для ионов K⁺, Ca²⁺, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺ в водном растворе чаще восстанавливается вода, поэтому выделяется H₂. На аноде галогениды Cl⁻, Br⁻ и I⁻ обычно дают соответствующий галоген. Ионы F⁻ не разряжаются: окисляется вода. Если в растворе сульфат или нитрат, чаще образуется кислород.

В растворах солей металлов средней активности возможны нюансы, поэтому ориентируйся на условие и стандартный ряд активности. После реакций проверь, какие ионы остались в растворе: это помогает определить его среду.

Полный разбор примера

Разберём электролиз водного раствора CuCl₂ с инертными электродами. Нужно определить продукты на катоде и аноде и составить суммарное уравнение. В растворе находятся Cu²⁺, Cl⁻ и H₂O. Медь относится к малоактивным металлам, поэтому на катоде восстанавливается именно её катион. Хлорид-ион на аноде окисляется до хлора.

Катод, восстановление:
\( Cu^2^+ + 2e^- \to Cu \)
Анод, окисление:
2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂
Суммарное ионное уравнение:
\( Cu^2^+ + 2Cl^- \to Cu + Cl_2 \)
Суммарное молекулярное уравнение:
\( CuCl_2 \to Cu + Cl_2 \)

Электроны уже сокращаются: на обеих полуреакциях указано по два электрона. Значит, коэффициенты перед CuCl₂, Cu и Cl₂ равны единице. На катоде выделяется медь, на аноде — хлор. Раствор постепенно теряет ионы Cu²⁺ и Cl⁻, поэтому при полном электролизе растворённое вещество расходуется.

Если в вопросе дана масса меди, количество вещества хлора будет таким же по уравнению: n(Cu) = n(Cl₂). Если требуется объём газа, после нахождения n(Cl₂) используй V = n × 22,4 л. Такой переход от уравнения к расчёту — обязательный этап, а не отдельная сложная формула.

Закрепить этот тип рассуждения удобно через бесплатную практику в личном кабинете: решай задания сериями, каждый раз проговаривая, почему выбрана именно эта частица.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать, что катод всегда положительный. В электролизёре катод отрицательный, но главное его определение не знак, а восстановление. Вторая ошибка — использовать правила для расплава при решении раствора. Вода может изменить продукт на катоде и аноде.

Третья ошибка — забывать индексы и двухатомность простых веществ. Хлор записывается как Cl₂, кислород — как O₂, водород — как H₂. Четвёртая ошибка — не уравнивать электроны в полуреакциях. Заряд и число атомов должны совпадать до сложения.

Пятая ошибка — путать электролиз с реакцией обмена. На электродах идут процессы с участием электронов, поэтому у каждой полуреакции должно быть понятно, кто принимает или отдаёт электроны. Наконец, проверяй баланс: число атомов, суммарный заряд и коэффициенты в итоговом уравнении.

Если нужно повторить базовые разделы перед практикой, материалы по экзамену собраны на странице подготовки к ЕГЭ. Для другой ступени обучения есть раздел подготовки к ОГЭ.

Что запомнить

Катод — восстановление, анод — окисление. В расплаве разряжаются ионы соли: катион даёт металл, анион — неметалл или кислородсодержащий продукт. В растворе конкурирует вода: активные металлы обычно не выделяются, вместо них образуется водород; сульфаты и нитраты чаще приводят к выделению кислорода на аноде, а хлориды, бромиды и иодиды — галогена.

Решай задание по цепочке: определи среду, выпиши частицы, выбери процессы на катоде и аноде, уравняй электроны, сложи полуреакции и только затем переходи к расчётам. Зарегистрируйся и реши 5 заданий бесплатно в личном кабинете, чтобы проверить, насколько уверенно ты применяешь алгоритм.