Электролиз растворов: что разряжается на катоде и аноде

В водном растворе, кроме ионов соли, есть молекулы воды, и они тоже могут восстанавливаться на катоде (до водорода) и окисляться на аноде (до кислорода). На каждом электроде идёт тот процесс, который требует меньше энергии. Какой именно — определяют по положению металла в ряду напряжений и по типу аниона.

Процессы на катоде

• Металлы после водорода в ряду напряжений (\(\ce{Cu}\), \(\ce{Ag}\), \(\ce{Hg}\), \(\ce{Au}\)) восстанавливаются легко и выделяются на катоде: \(\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}\).
• Металлы от алюминия до водорода (\(\ce{Zn}\), \(\ce{Fe}\), \(\ce{Ni}\), \(\ce{Sn}\), \(\ce{Pb}\)) восстанавливаются одновременно с водой: на катоде выделяются и металл, и водород.
• Металлы до алюминия включительно (\(\ce{Li}\), \(\ce{K}\), \(\ce{Ba}\), \(\ce{Ca}\), \(\ce{Na}\), \(\ce{Mg}\), \(\ce{Al}\)) из водного раствора не выделяются — восстанавливается вода, около катода накапливается щёлочь: \(\ce{2H2O + 2e- -> H2 ^ + 2OH-}\).
• В растворах кислот восстанавливаются ионы водорода: \(\ce{2H+ + 2e- -> H2 ^}\).

Процессы на аноде

Анод обычно инертный (графит, платина) — он сам не окисляется.

• Бескислородные анионы \(\ce{Cl-}\), \(\ce{Br-}\), \(\ce{I-}\), \(\ce{S^{2-}}\) окисляются до простых веществ: \(\ce{2Cl- - 2e- -> Cl2 ^}\), \(\ce{S^{2-} - 2e- -> S}\). Исключение — фторид-ион, он не окисляется.
• Кислородсодержащие анионы (\(\ce{SO4^{2-}}\), \(\ce{NO3-}\), \(\ce{PO4^{3-}}\), \(\ce{CO3^{2-}}\)) и фторид не окисляются — окисляется вода, около анода накапливается кислота: \(\ce{2H2O - 4e- -> O2 ^ + 4H+}\). В растворах щелочей окисляются гидроксид-ионы: \(\ce{4OH- - 4e- -> O2 ^ + 2H2O}\).
• Анионы карбоновых кислот окисляются с выделением \(\ce{CO2}\) и образованием алкана (реакция Кольбе): \(\ce{2CH3COO- - 2e- -> CH3-CH3 ^ + 2CO2 ^}\).

Растворимый анод

Если анод сделан из металла, который окисляется легче воды и анионов (медь, никель, серебро), растворяется сам анод: \(\ce{Cu - 2e- -> Cu^{2+}}\). Ионы меди переходят в раствор и осаждаются на катоде. Так очищают (рафинируют) медь: черновая медь служит анодом, а на катоде оседает чистая. На том же основано нанесение тонких металлических покрытий (гальваностегия).