Тема 3

Окислительно-восстановительные реакции. Электролиз

Что проверяют по спецификации:

Степень окисленияОкислители и восстановителиМетод электронного балансаЭлектролиз растворов и расплавовЗакон Фарадея

Суть за минуту

В окислительно-восстановительных реакциях меняются степени окисления: восстановитель отдаёт электроны и окисляется, окислитель принимает их и восстанавливается. Коэффициенты расставляют методом электронного баланса. Электролиз — это ОВР под действием тока: на катоде идёт восстановление, на аноде — окисление.

Объясняем просто

ОВР — это «передача мячика-электрона». Кто отдаёт — восстановитель (сам окисляется), кто берёт — окислитель (сам восстанавливается).

Запомните парой

«Отдать — окислиться». Степень окисления растёт: Fe0 → Fe+2.

Электронный баланс

Сколько электронов отдано — столько и принято. Ищем наименьшее общее кратное и ставим множители.

Электролиз

Ток «заставляет» идти ОВР: на катоде (−) — восстановление, на аноде (+) — окисление. Масса вещества пропорциональна заряду (закон Фарадея).

Главные формулы

m=M⋅I⋅tz⋅Fm=\dfrac{M\cdot I\cdot t}{z\cdot F}
Закон Фарадея; F = 96 500 Кл/моль, z — число электронов
Окислитель + ē → восстанавливается
Степень окисления понижается
Восстановитель − ē → окисляется
Степень окисления повышается

Понятия и термины

Степень окисления
Условный заряд атома; сумма в молекуле равна нулю
Катод (−)
Электрод, где идёт восстановление (катионы принимают ē)
Анод (+)
Электрод, где идёт окисление (анионы отдают ē)
Инертный анод
Графит или платина — сам не растворяется

Разбор темы

Электролиз водных растворов: катод

Металлы от Li до Al: восстанавливается вода, выделяется H2.

Металлы от Mn до H: выделяются и металл, и водород.

Металлы после H (Cu, Ag, Au): выделяется только металл.

Электролиз водных растворов: инертный анод

Бескислородные анионы (Cl−, Br−, I−, S2−) окисляются: выделяется галоген или сера.

Кислородсодержащие анионы (SO42−, NO3−) и F− не окисляются, окисляется вода: выделяется O2.

Расплавы: 2NaCl → 2Na + Cl2. Так получают активные металлы и алюминий.

Примеры задач с решением

Задача 1Расставьте коэффициенты: Cu + HNO3(конц) → Cu(NO3)2 + NO2 + H2O. Найдите сумму коэффициентов.
  1. Cu⁰ − 2ē → Cu⁺² (восстановитель), ×1.
  2. N⁺⁵ + 1ē → N⁺⁴ (окислитель), ×2.
  3. Ставим 2 перед NO2; азота всего 2 + 2 = 4, поэтому 4 перед HNO3.
  4. Уравниваем водород: 2 перед H2O.
  5. Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O.
Ответ Сумма коэффициентов 1 + 4 + 1 + 2 + 2 = 10
Задача 2Сколько граммов меди выделится на катоде при электролизе раствора CuSO4 током 5 А за 1930 с?
  1. Cu2+ + 2ē → Cu: z = 2, M = 64 г/моль.
  2. m=M⋅I⋅tz⋅F=64⋅5⋅19302⋅96 500m=\dfrac{M\cdot I\cdot t}{z\cdot F}=\dfrac{64\cdot5\cdot1930}{2\cdot96\,500}
  3. m=617 600193 000=3,2m=\dfrac{617\,600}{193\,000}=3{,}2 г.
Ответ 3,2 г меди

Сложные задачи: шаг за шагом

Задача 1Расставьте коэффициенты методом электронного баланса: KMnO4 + HCl → KCl + MnCl2 + Cl2 + H2O. Какой объём хлора (н. у.) выделится из 31,6 г KMnO4?

Идея: Найдите элементы, меняющие степень окисления, уравняйте электроны, затем — остальные атомы (сначала K и Mn, потом Cl, потом H и O).

  1. Шаг 1. Степени окисления
    Mn: +7 → +2 (принимает электроны — окислитель).
    Cl: −1 → 0 (отдаёт — восстановитель).
  2. Шаг 2. Электронный баланс
    Mn+7 + 5e → Mn+2 | ×2
    2Cl− - 2e → Cl20 | ×5
    Всего 10 электронов: 2 Mn и 5 Cl2.
  3. Шаг 3. Коэффициенты
    2 KMnO4 → 2 KCl + 2 MnCl2 + 5 Cl2.
    Хлора справа: 2+4+10=162+4+10=16 → 16 HCl. Водород: 16 H → 8 H2O. Кислород: 8 = 8 ✓.
  4. Шаг 4. Итог
    2KMnO4 + 16HCl → 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O.
  5. Шаг 5. Расчёт хлора
    n(KMnO4)=31,6/158=0,2n(\text{KMnO}_4)=31{,}6/158=0{,}2 моль; по уравнению n(Cl2)=0,2⋅5/2=0,5n(\text{Cl}_2)=0{,}2\cdot5/2=0{,}5 моль.
    V=0,5⋅22,4=11,2V=0{,}5\cdot22{,}4=11{,}2 л.
Ответ 2, 16, 2, 2, 5, 8; 11,2 л Cl2
Задача 2Раствор CuSO4 подвергли электролизу с инертными электродами током 5 А в течение 32 мин 10 с. Какая масса меди выделилась на катоде и какой объём газа (н. у.) — на аноде?

Идея: Закон Фарадея: найдите заряд, затем число моль электронов; на аноде из сульфата окисляется вода.

  1. Шаг 1. Время и заряд
    t=32⋅60+10=1930t=32\cdot60+10=1930 с; q=It=5⋅1930=9650q=It=5\cdot1930=9650 Кл.
  2. Шаг 2. Моли электронов
    n(e)=9650/96 500=0,1n(e)=9650/96\,500=0{,}1 моль.
  3. Шаг 3. Катод
    Cu2+ + 2e → Cu: n(Cu)=0,05n(\text{Cu})=0{,}05 моль, m=0,05⋅64=3,2m=0{,}05\cdot64=3{,}2 г.
  4. Шаг 4. Анод
    2H2O - 4e → O2 + 4H+: n(O2)=0,1/4=0,025n(\text{O}_2)=0{,}1/4=0{,}025 моль, V=0,56V=0{,}56 л.
Ответ 3,2 г Cu; 0,56 л O2

Частые ловушки на ЕНТ

  • Окислитель восстанавливается, восстановитель окисляется. Названия «наоборот» — главная ловушка.
  • При электролизе раствора NaCl на катоде выделяется водород, а не натрий.
  • При электролизе раствора Na2SO4 фактически разлагается вода: H2 на катоде, O2 на аноде.

Запомнить

«Катод — катионы — восстановление», «Анод — анионы — окисление».

Проверь себя

1. Что выделяется на аноде при электролизе раствора NaCl?
  1. O2
  2. Cl2
  3. H2
  4. Na
Показать ответ

Cl2 Хлорид-ион окисляется до хлора.

2. Степень окисления марганца в KMnO4:
  1. +4
  2. +6
  3. +7
  4. +2
Показать ответ

+7 +1 + x − 8 = 0, x = +7.

3. Что выделяется на катоде при электролизе раствора Na2SO4?
  1. Na
  2. H2
  3. O2
  4. S
Показать ответ

H2 Натрий активнее алюминия, восстанавливается вода.

Связанные темы

1. Строение атома и химическая связь6. Металлы и неметаллы. Производство металлов18. Задачи: выход, олеум, смеси, пластинка, электролиз

Узнай свой уровень: бесплатная диагностика ЕНТ