- Задание 20. Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей, кислот). ЕГЭ 2024 по химии
- Задачи для практики
- Задача 1
- Задача 2
- Задача 3
- Задача 4
- Задача 5
- Задача 6
- Задача 7
- Задача 8
- Задача 9
- Задача 10
- Задача 11
- Скорость химических реакций
- Факторы, влияющие на скорость химической реакции: 1) Природа реагирующих веществ
- 1) Природа реагирующих веществ
- 2) Концентрация исходных веществ
- 3) Температура
- 4) Использование катализатора или ингибитора
- Основные каталитические реакции в неорганической химии:
- 5) Измельчение твердых исходных реагентов
Задание 20. Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей, кислот). ЕГЭ 2024 по химии
Средний процент выполнения: 76.2%
Ответом к заданию 20 по химии может быть последовательность цифр, чисел или слов. Порядок записи имеет значение.
Задачи для практики
Задача 1
Установите соответствие между формулой соли и продуктами, образующимися на инертных электродах при электролизе водного раствора этой соли: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ФОРМУЛА СОЛИ | ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА |
| А) $NaNO_3$ Б) $CH_3COONa$ В) $BaBr_2$ Г) $Cu(NO_3)_2$ |
1) $H_2$, $O_2$ 2) $H_2$, $C_2H_6$, $NaHCO_3$ 3) металл, $O_2$ 4) металл, $NO_2$ 5) Ba, $Br_2$ 6) $H_2$, $Br_2$ |
Запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.
Решение
A) Протекает электролиз воды. Продукты $H_2$ и $O_2$
Б) $2 CH_3COONa + 2 H_2O → C_2H_6 + 2 NaHCO_3 + H_2$
В) $BaBr_2 + H_2O → Br_2 + Н_2 + Ba(OH)_2$
Г) $2Cu(NO_3)_2 + 2H_2O → 2Cu + O_2 + 4HNO_3$
Задача 2
Установите соответствие между названием вещества и способом его электролитического получения: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА | ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ |
| А) натрий Б) фтор В) алюминий Г) кислород |
1) расплава NaCl 2) водного раствора NaF 3) водного раствора $AlCl_3$ 4) раствора $Al_2O_3$ в расплавленном криолите 5) расплава NaF 6) водного раствора NaCl |
Запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.
Решение
А: Натрий очень активный металл, поэтому из водного раствора его не получить электролитически, а вот из расплава NaCl, можно, как и из расплава NaF, но фторид дороже и фтор быстро разрушает анод, так что используют хлорид.
Б: Фтор можно получить только электролизом расплава соли.
В: Алюминий достаточно активен, так что в растворе он разрядит вместо себя водород из воды, так что нам подходит только 4 вариант.
Г: Фторид-ион при электролизе в растворе проявляет свойства такие же, как остатки кислород содержащих кислот.
Задача 3
Установите соответствие между формулой соли и уравнением процесса, протекающего на аноде при электролизе её водного раствора: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ФОРМУЛА СОЛИ | УРАВНЕНИЕ АНОДНОГО ПРОЦЕССА |
| А) $Al(NO_3)_3$ Б) $CuCl_2$ В) $SbCl_3$ Г) $Cu(NO_3)_2$ |
1) $2H_2O – 4ē = O_2^{0} + 4H^{+}$ 2) $2H_2O + 2ē = H_2^{0} + 2OH^{–}$ 3) $2Cl^{–} – 2ē = Cl_2^{0}$ 4) $Sb^{3+} + 3ē = Sb^{0}$ 5) $Cl^{–} + 4H_2O – 8ē = ClO_4^{-} + 8H^{+}$ 6) $4NO_3^{–} – 4ē = 2N_2O + 5O_2^{0}$ |
Запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.
Решение
A) Нитрат-анион – остаток кислородосодержащей кислоты, следовательно, на аноде окисляются атомы кислорода молекул воды — строка 1.
Б) Хлорид-анион – бескислородный остаток, следовательно, на аноде окисляется сам хлорид-ион — строка 3.
В) Как в Б.
Г) Как в А
Задача 4
Установите соответствие между формулой вещества и продуктами, образующимися на инертных электродах при электролизе водного раствора этого вещества: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА | ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА |
| А) $Pb(NO_3)_2$ Б) NaBr В) $AlCl_3$ Г) $CuSO_4$ |
1) водород, галоген 2) водород, кислород 3) металл, кислород 4) металл, водород, кислород 5) металл, оксид серы(IV) |
Запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.
Решение
А) $Pb(NO_3)_2$ — нитрат свинца — соль металла средней активности и кислородсодержащей кислоты, при электролизе его водного раствора образуется металл, водород и кислород.
Б) NaBr — бромид натрия — соль активного металла и бескислородной кислоты, при электролизе его водного раствора образуется галоген и водород.
В) $AlCl_3$ — хлорид алюминия — соль активного металла и бескислородной кислоты, при электролизе его водного раствора образуется галоген и водород.
Г) $CuSO_4$ — сульфат меди (II) — соль неактивного металла и кислородсодержащей кислоты, при электролизе его водного раствора образуется металл и кислород.
Задача 5
Установите соответствие между формулой соли и продуктами, образующимися на инертных электродах при электролизе водного раствора этой соли: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ФОРМУЛА СОЛИ | ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА |
| А) $CuSO_4$ Б) AgF В) $K_2S$ Г) NaBr |
1) водород, кислород 2) водород, галоген 3) металл, кислород 4) металл, галоген 5) водород, сера |
Запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.
Решение
А) $CuSO_4$ — соль малоактивного металла и кислородсодержащей кислоты. Выделяется металл и кислород.
Б) AgF — фторид серебра — соль малоактивного металла и фтороводородной кислоты, выделяется металл и кислород.
В) Калий — активный металл, поэтому на катоде будет водород, а сульфид — остаток некислородосодержащей кислоты, на аноде образуется сера.
Г) NaBr — соль активного металла и бескислородной кислоты. Выделяется водород и бром.
Задача 6
Установите соответствие между формулой соли и продуктами, образующимися на инертных электродах при электролизе водного раствора этой соли: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ФОРМУЛА СОЛИ | ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА |
| А) $CaI_2$ Б) $Na_2CO_3$ В) AgF Г) $AuF_3$ |
1) металл, кислород 2) металл, галоген 3) водород, кислород 4) водород, галоген 5) водород, углекислый газ 6) металл, углекислый газ |
Запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.
Решение
А) $CaI_2$ — йодид кальция, соль активного металла и и бескислородной кислоты, при электролизе водного раствора образуется $I_2$ и $H_2$.
Б) $Na_2CO_3$ — карбонат натрия — соль активного металла и кислородсодержащей кислоты, при электролизе водного раствора образуется $O_2$ и $H_2$.
В) AgF — фторид серебра — соль неактивного металла и фтороводородной кислоты, выделяется металл и кислород.
Г) $AuF_3$ — фторид золота — соль неактивного металла и фтороводородной кислоты, выделяется металл и кислород.
Задача 7
Установите соответствие между формулой вещества и продуктами, образующимися на инертных электродах при электролизе водного раствора этого вещества: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА | ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА |
| А) $NiSO_4$ Б) $LiClO_4$ В) LiCl Г) $AgNO_3$ |
1) металл, кислород 2) водород, хлор 3) водород, кислород 4) металл, оксид азота(IV) 5) металл, галоген |
Запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.
Решение
А) $NiSO_4$ — соль металла средней активности и кислородсодержащей кислоты. Выделяется металл и кислород.
Б) $LiClO_4$ — соль активного металла и кислородсодержащей кислоты. Выделяется водород и кислород.
В) LiCl — соль активного металла и бескислородной кислоты. Выделяется водород и хлор.
Г) $AgNO_3$ — соль малоактивного металла и кислородсодержащей кислоты. Выделяется металл и кислород.
Задача 8
Установите соответствие между формулой вещества и продуктами, образующимися на инертных электродах при электролизе водного раствора этого вещества: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА | ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА |
| А) $Cu(NO_3)_2$ Б) $Na_2S$ В) $AlCl_3$ Г) $ZnSO_4$ |
1) Cu, $O_2$ 2) Cu, $NO_2$ 3) $H_2$, S 4) $H_2$, $Cl_2$ 5) Zn, $H_2$, $O_2$ 6) Zn, $H_2$, S |
Запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.
Решение
A) $Cu(NO_3)_2$ — соль малоактивного металла и кислородсодержащей кислоты. Выделяется металл (Cu) и кислород.
Б) $Na_2S$ — соль активного металла и бескислородной кислоты, образуется водород и сера.
В) $AlCl_3$ — соль активного металла и бескислородной кислоты, образуется водород и хлор.
Г) $ZnSO_4$ — соль металла средней активности и кислородсодержащей кислоты, образуется металл (цинк), водород и кислород.
Задача 9
Установите соответствие между формулой вещества и продуктами, образующимися на инертных электродах при электролизе его водного раствора: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ФОРМУЛЫ ВЕЩЕСТВ | ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА |
| А) $CaCl_2$ Б) $Fe(NO_3)_2$ В) $K_2SO_4$ Г) $FeCl_2$ |
1) $Ca, O_2, Cl_2$ 2) $Fe, H_2, Cl_2$ 3) $K, H_2, SO_3$ 4) $Fe, H_2, O_2$ 5) $H_2, Cl_2$ 6) $H_2, O_2$ |
Запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.
Решение
Продукты электролиза определяются положением металла в ряду активности и природой аниона
1) $CaCl_2$ — хлорид кальция — образован катионами $Ca^{2+}$ (кальций находится в ряду активности левее алюминия) и бескислородными анионами Cl–.
Катодная реакция: $2H_2O + 2ē = H_2^{0} + 2OH^–$
Анодная реакция: $2Cl^{–} – 2ē = Cl_2^0$
Вывод: продукты электролиза $H_2$, $Cl_2$; ответ А — 5.
2) $Fe(NO_3)_2$ — нитрат железа(II) — образован катионами $Fe^{2+}$ (железо находится в ряду активности между алюминием и водородом) и кислородсодержащими анионами $NO_3^{–}$.
Катодные реакции: $Fe^{2+} + 2ē = Fe^0$
$2H_2O + 2ē = H_2^{0} + 2OH^–$
Анодная реакция: $2H_2O – 4ē = O_2^{0} + 4H^+$
Вывод: продукты электролиза Fe, $H_2$, $O_2$; ответ Б — 4.
3) $K_2SO_4$ — сульфат калия — образован катионами $K^+$ (калий в ряду активности находится левее, чем алюминий) и кислородсодержащими анионами $SO_4^{2–}$. Уравнения катодного и анодного процессов:
Катодная реакция: $2H_2O + 2ē = H_2^{0} + 2OH^–$
Анодная реакция: $2H_2O – 4ē = O_2^{0} + 4H^+$
Вывод: продукты электролиза $H_2$, $O_2$; ответ В — 6.
4) $FeCl_2$ — хлорид железа(II) — образован катионами $Fe^{2+}$ (железо находится между алюминием и водородом в ряду активности) и бескислородными анионами $Cl^–$.
Катодные реакции: $Fe^{2+} + 2ē = Fe^0$
$2H_2O + 2ē = H_2^{0} + 2OH^–$
Анодная реакция: $2Cl^{–} – 2ē = Cl_2^0$
Вывод: продукты электролиза Fe, $H_2$, $Cl_2$; ответ Г — 2.
Задача 10
Установите соответствие между формулой соли и уравнением процесса, протекающего на угольном аноде при электролизе её водного раствора: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ФОРМУЛА СОЛИ | УРАВНЕНИЕ АНОДНОГО ПРОЦЕССА |
| А) KCl Б) $AlBr_3$ В) $CuSO_4$ Г) $AgNO_3$ |
1) $2H_2O – 4ē = O_2 + 4H^{+}$ 2) $2H_2O + 2ē = H_2 + _2OH^–$ 3) $2Cl^– – 2ē = Cl^{0}_2$ 4) $2Br^– – 2ē = Br^{0}_2$ 5) $2SO_4^{2–} – 2ē = S_2O_8^{2–}$ 6) $2NO^{–}_3 – 2ē = 2NO_2 + O_2$ |
Запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.
Решение
Процесс окисления на аноде определяется материалом, из которого изготовлен анод, и природой аниона.
1) KCl — хлорид калия — содержит бескислородные анионы $Cl^–$; анодный процесс:
$2Cl^{–} – 2ē = Cl_2^0$
Вывод: ответ А — 3.
2) $AlBr_3$ — бромид алюминия — содержит бескислородные анионы $Br^–$; анодный процесс:
$2Br^{–} – 2ē = Br_2^0$
Вывод: ответ Б — 4.
3) $CuSO_4$ — сульфат меди(II) — содержит кислородсодержащие анионы $SO_4^{2–}$; анодная реакция:
$2H_2O – 4ē = O_2^0 + 4H^{+}$
Вывод: ответ В — 1.
4) $AgNO_3$ — нитрат серебра — содержит кислородсодержащие анионы $NO_3^–$; анодный процесс:
$2H_2O – 4ē = O_2^0 + 4H^{+}$
Вывод: ответ Г — 1.
Задача 11
Установите соответствие между формулой соли и продуктами, образующимися на инертных электродах при электролизе её водного раствора: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ФОРМУЛА СОЛИ | ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА |
| А) $Mg(NO_3)_3$ Б) LiBr В) $Al(NO_3)_3$ Г) KCl |
1) водород, кислород 2) кислород, металл 3) оксид азота(IV), водород 4) оксид азота(II), металл 5) галоген, водород 6) металл, галоген |
Запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.
Решение
Продукты восстановления в водных растворах определяются положением металла в ряду активности:
1) если металл более активный, чем алюминий (и сам алюминий), то будет восстанавливаться вода с выделением водорода:
2) если металл малоактивный (находится в ряду активности правее водорода), то будут восстанавливаться катионы металла:
3) для металлов промежуточной активности будет происходить восстановление как катионов металла, так и воды.
а) анионы бескислородных кислот ($Cl^–$, $Br^–$, $I^–$, $S^{2–}$) окисляются с образованием простых веществ
б) анионы кислородсодержащих кислот и фторид-ионы в водных растворах не окисляются, происходит окисление молекул воды с выделением кислорода:
А) $Mg(NO_3)_2$ — нитрат магния — образован катионами магния (находится в ряду активности левее алюминия) и анионами кислородсодержащей кислоты.
Катодная реакция: $2H_2O + 2ē = H_2^0 + 2OH^–$
Анодная реакция: $2H_2O – 4ē = O_2^{0}+ 4H^+$
Вывод: выделяются водород и кислород (ответ А — 1).
Б) LiBr — бромид лития — содержит катионы лития $Li^+$ (литий Li в ряду активности находится левее, чем алюминий Al) и бескислородные анионы $Br^–$.
Катодная реакция: $2H_2O + 2ē = H_2^{0} + 2OH^–$
Анодная реакция: $2Br^{–} – 2ē = Br_2^0$
Вывод: выделяются водород и галоген (бром) (ответ Б — 5).
В) $Al(NO_3)_3$ — нитрат алюминия — образован катионами алюминия и анионами кислородсодержащей кислоты.
Катодная реакция: $2H_2O + 2ē = H_2^{0} + 2OH^–$
Анодная реакция: $2H_2O – 4ē = O_2^{0}+ 4H^+$
Вывод: выделяются водород и кислород (ответ В — 1).
Г) KCl — хлорид калия — образован катионами калия $K^+$ (калий K в ряду активности находится левее, чем алюминий Al) и бескислородными анионами $Cl^–$.
Катодная реакция: $2H_2O + 2ē = H_2^{0} + 2OH^–$
Анодная реакция: $2Cl^{–} – 2ē = Cl_2^0$
Вывод: выделяются водород и галоген (хлор) (ответ Г — 5).
Скорость химических реакций
Различные химические реакции идут с разной скорость – уксус мгновенно реагирует с пищевой содой, а серебряное кольцо очень медленно на воздухе покрывается темным налетом сульфида серебра.
Скорость химической реакции – это изменение концентрации исходных веществ или продуктов реакции в единицу времени.
Скорость химической реакции зависит от агрегатного состояния веществ, вступающих во взаимодействие. Если все реагенты находятся в одной фазе (нет границы раздела фаз), то реакция гомогенная. В этом случае реакция идет в объеме веществ.
Гомогенные реакции – это реакции между газами или между взаимно растворимыми жидкостями (растворами). К гомогенным относят реакции, в ходе которых нельзя заметить границы раздела фаз (вещества находятся в одном и том же агрегатном состоянии и растворимы друг в друге), например раствор кислоты + раствор щелочи, газообразный водород + газообразный азот и др.
В гетерогенных реакциях наоборот, граница раздела фаз есть, и как раз на ее поверхности и протекает химическая реакция. Примеры гетерогенных процессов: Zn + HCl, C + $O_2$. В случае таких реакций на скорость оказывает сильное влияние площадь поверхности твердых веществ. Чем она больше, тем быстрее будет идти процесс.
Вы скажете, что гомогенная реакция удобнее, круче. И будете правы.
Что нужно, чтобы реакция пошла быстрее? Чем больше частиц встретится между собой и чем выше будет их энергия, тем быстрее пойдет реакция. Поэтому, в целом, все факторы, влияющие на скорость реакции, так или иначе влияют на количество встреч частиц (например, молекул) между собой и на их энергию.
Факторы, влияющие на скорость химической реакции:
1) Природа реагирующих веществ
Реакционная активность соединений зависит от характера химических связей в веществах и их строения. Ионные соединения и соединения с ковалентными полярными связями намного быстрее превращаются, чем соединения со слабополярными или неполярными химическими связями. Например, какой-нибудь металл или оксид будет быстрее реагировать с сильной кислотой, чем со слабой.
2) Концентрация исходных веществ
При увеличении концентрации газа или жидкости скорость химической реакции увеличивается и наоборот. Помни, что концентрации твердых веществ на скорость не влияют!
В случае газообразных веществ давление влияет на скорость реакции так же, как и концентрация. При увеличении давления скорость реакции будет возрастать. При этом не учитываются твердые вещества.
3) Температура
Cкорость химической реакции увеличивается с ростом температуры.
Правило Вант-Гоффа
Повышение температуры на каждые 10 градусов приводит к увеличению скорости большинства реакций в 2 – 4 раза.
Скорость реакции зависит от энергии реагирующих частиц. Если бы все молекулы водорода и молекулы кислорода имели достаточную для реакции энергию, то реакция между ними с образованием воды протекала бы мгновенно при комнатной температуре. Но реакция идет бурно и со взрывом только при нагревании до 700С.
Частицы, которые имеют достаточную для реакции энергию называют активными. А повышение температуры увеличивает количество активных частиц, переводит неактивную частицу в активную, значит, повышает скорость реакции. Понижение температуры действует в обратную сторону.
Количество активных частиц можно повысить и другим способом – катализатором.
4) Использование катализатора или ингибитора
Энергия, необходимая для перевода 1 моль неактивных частиц в активные называется энергией активации реакции. Эта энергия зависит и от природы реагирующих веществ (возвращаемся в п. 1). Чем она меньше, тем быстрее идет реакция.
Вещества, которые увеличивают скорость химической реакции, но сами не затрачиваются в процессе ее протекания, называют катализаторами.
Вещества, обратные по действию катализаторам, называют ингибиторами.
Реакции, которые протекают только в присутствии катализаторов, называют каталитическими реакциями.
По сути, действие катализатора заключается в снижении энергии активации реакции, а значит больше частиц попадают в диапазон активных, и скорость реакции увеличивается.
Основные каталитические реакции в неорганической химии:
| 2Al + 3$I_2$ = 2$AlI_3$ | kt = $H_2O$ |
| 2$KClO_3$ = 2KCl + 3$O_2$ | kt = $MnO_2$ |
| 2$H_2O_2$ = 2$H_2O$ + $O_2$ | kt = $MnO_2$ |
| 2$SO_2$ + $O_2$ = 2$SO_3$ | kt = $V_2O_5$ |
| 4$NH_3$ + 5$O_2$ = 4NO + 6$H_2O$ | kt = Pt |
| С + 2$H_2$ = $CH_4$ | kt = hν (свет) |
| $N_2$ + 3$H_2$ = 2$NH_3$ | kt = Fe |
5) Измельчение твердых исходных реагентов
Чем больше площадь твердого вещества, тем быстрее будет идти гетерогенная реакция на границе раздела фаз.