Условие
Через раствор сульфата меди(II) пропускают постоянный ток, электроды инертные (например, графитовые). Определите продукты электролиза, запишите процессы на электродах и составьте суммарное уравнение. Объясните, почему на аноде выделяется кислород, хотя в растворе есть сульфат-ионы.
Что известно и что ищем
- Известны вещество в растворе, материал электродов и то, что ток постоянный.
- Ищем продукты на катоде и на аноде и суммарное уравнение.
- Ключ: в растворе есть вода, и по каждой стороне конкуренцию нужно разобрать отдельно.
Ход решения
- Шаг 1. Разбираем катод. Катион здесь один — ион меди. Медь стоит в ряду напряжений правее водорода, то есть восстанавливается легче воды, поэтому на катоде выделяется металлическая медь: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰.
- Шаг 2. Разбираем анод. Здесь два кандидата: сульфат-ион и вода. Сульфат-ион относится к кислородсодержащим анионам, а такие анионы устойчивы и окисляться не хотят. Значит, окисляется вода: 2H₂O − 4e⁻ → O₂ + 4H⁺. То есть на аноде выделяется кислород, а в растворе накапливаются ионы водорода.
- Шаг 3. Уравниваем число электронов. У катода два электрона на ион меди, у анода четыре. Умножаем катодный процесс на два: два иона меди принимают четыре электрона.
- Шаг 4. Складываем полуреакции и получаем суммарное уравнение: 2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄.
- Шаг 5. Проверяем баланс по атомам. Меди по два атома слева и справа; серы по два; водорода четыре; кислорода десять (по восемь в сульфатах и два в воде — десять, и столько же справа: два в молекуле кислорода и восемь в двух молекулах кислоты). Баланс сходится.
- Шаг 6. Проговариваем смысл результата. В растворе разлагается не только соль, но и вода, а в растворе накапливается серная кислота. Поэтому и получается одновременно медь, кислород и кислотная среда.
Проверь себя
- Ответ: на катоде медь, на аноде кислород, в растворе образуется серная кислота; суммарно 2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄.
- Проверка вывода: сульфат-ион не окисляется, поэтому в суммарном уравнении сера стоит без изменений, а кислород появился из воды.
- Ловушка: записать окисление сульфат-иона. Сульфат в водном растворе окисляться не будет, на аноде в первую очередь уходит вода.
Как объяснить ребёнку
«На электродах идёт конкурс: кто первым отдаст или заберёт электрон. Медь — "жадная" до электронов, поэтому забирает их сама. А сульфат электроны отдавать не хочет, за него это делает вода, поэтому на аноде появляется кислород. Сульфат просто "стоит в сторонке" и остаётся в растворе».
Тема для отчёта родителю
«Электролиз раствора соли: почему продукты не выводятся из формулы соли».
Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.