Номер 661, страница 112 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

661. *Внимательно рассмотрите рис. 56 (с. 137) учебного пособия «Химия. 11 класс». Почему в эксперименте с водным раствором NaOH на электродах пузырьки газа выделяются, а в эксперименте с расплавом — нет? Кратко поясните свой ответ.

Решение

Различие в продуктах электролиза водного раствора и расплава гидроксида натрия ($NaOH$) объясняется наличием или отсутствием молекул воды, которые способны конкурировать с ионами электролита в электродных процессах.

Электролиз водного раствора NaOH

В водном растворе, помимо ионов $Na^+$ и $OH^-$, присутствуют в большом количестве молекулы воды ($H_2O$). При пропускании электрического тока на электродах происходят следующие процессы:

На катоде (отрицательный электрод) происходит процесс восстановления. Здесь за электроны конкурируют катионы натрия и молекулы воды. Поскольку молекулы воды являются более активными окислителями (их легче восстановить), чем ионы натрия, на катоде восстанавливается именно вода с выделением газообразного водорода ($H_2$):

$2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$

Выделение водорода наблюдается в виде пузырьков газа.

На аноде (положительный электрод) происходит процесс окисления гидроксид-ионов $OH^-$ с образованием газообразного кислорода ($O_2$):

$4OH^- - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 2H_2O$

Выделение кислорода также наблюдается в виде пузырьков.

Таким образом, при электролизе водного раствора NaOH фактически происходит электролиз воды, и на обоих электродах выделяются газы.

Электролиз расплава NaOH

В расплаве гидроксида натрия молекулы воды отсутствуют. Электролизу подвергаются только ионы, из которых состоит вещество: $Na^+$ и $OH^-$.

На катоде (отрицательный электрод) единственным возможным процессом является восстановление катионов натрия, так как других частиц, способных принять электроны, нет:

$Na^+ + e^- \rightarrow Na(l)$

Продуктом является жидкий металлический натрий (температура плавления NaOH – 318 °C, натрия – 98 °C). Металлический натрий – это жидкость, а не газ, поэтому пузырьков на катоде не наблюдается.

На аноде (положительный электрод) окисляются гидроксид-ионы с образованием газообразного кислорода и водяного пара:

$4OH^- - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 2H_2O \uparrow$

Хотя на аноде в расплаве и выделяются газы, вопрос, скорее всего, акцентирует внимание на ключевом различии процессов на катоде.

Следовательно, причина, по которой в эксперименте с водным раствором пузырьки газа хорошо заметны, а в эксперименте с расплавом — нет, заключается в различном процессе на катоде. В водном растворе на катоде выделяется газообразный водород, в то время как в расплаве на катоде образуется жидкий металл.

Ответ: В эксперименте с водным раствором NaOH пузырьки газа выделяются потому, что в электролизе участвуют молекулы воды. На катоде в результате восстановления воды образуется газообразный водород ($H_2$), а на аноде в результате окисления гидроксид-ионов — газообразный кислород ($O_2$). В эксперименте с расплавом NaOH вода отсутствует, поэтому на катоде восстанавливаются ионы натрия до жидкого металлического натрия ($Na$), который не является газом. Именно отсутствие выделения газа на катоде в расплаве (в отличие от раствора) и является ключевым наблюдаемым различием.