Вопрос 21. Почему при электролизе водного раствора Na2SO4 на катоде выделяется водород, а не натрий

Решение:

Вопрос касается процесса электролиза водного раствора сульфата натрия (Na₂SO₄) и причины выделения водорода на катоде вместо натрия.

Анализ процесса электролиза водного раствора Na₂SO₄:

В водном растворе Na₂SO₄ присутствуют следующие ионы:

• Na⁺
• SO₄^2-
• H⁺ (из диссоциации воды)
• OH^- (из диссоциации воды)

На катоде (отрицательно заряженный электрод) происходит восстановление (присоединение электронов).

Кто может восстанавливаться на катоде?

• Катионы металлов (Na⁺)
• Молекулы воды (H₂O)

Сравнение потенциалов восстановления:

Способность ионов или молекул присоединять электроны определяется их стандартными электродными потенциалами. Чем ниже (более отрицательный) потенциал восстановления для катиона металла, тем легче он восстанавливается. Для воды потенциал восстановления различается в зависимости от среды.

• Восстановление ионов натрия (Na⁺): Ионы Na⁺ являются очень сильными окислителями (в смысле, что им очень трудно восстановиться до металлического натрия). Их потенциал восстановления очень низок (примерно -2.71 В).
• Восстановление воды (H₂O): В нейтральной или слабощелочной среде (которая образуется при электролизе, так как H⁺ расходуются) вода может восстанавливаться до водорода и гидроксид-ионов по реакции: 2H₂O + 2e^- → H₂↑ + 2OH^-. Стандартный потенциал для этой реакции в нейтральной среде близок к -0.41 В (при pH=7).

Вывод: Поскольку потенциал восстановления воды (-0.41 В) значительно выше (менее отрицательный), чем потенциал восстановления ионов натрия (-2.71 В), то именно вода будет восстанавливаться на катоде, выделяя газообразный водород.

Анализ вариантов ответа:

• а) натрий слишком активный металл; — Это верно, натрий — очень активный металл, его ионы трудно восстановить. Связано с низким потенциалом восстановления.
• б) потенциал восстановления воды выше, чем у Na⁺ в водном растворе — Это точное объяснение. "Выше" в данном контексте означает менее отрицательное значение, что указывает на более легкое восстановление.
• в) Na₂SO₄ не диссоциирует; — Это неверно. Na₂SO₄ — сильный электролит и хорошо диссоциирует в воде на ионы Na⁺ и SO₄^2-.
• г) водород легче натрия. — Это утверждение относится к плотности, а не к склонности к восстановлению. Хотя водород действительно легче натрия, это не является прямой причиной выделения водорода на катоде при электролизе.

Наиболее точное объяснение — это сравнение электродных потенциалов.

Ответ: б) потенциал восстановления воды выше, чем у Na⁺ в водном растворе