При электролизе водного раствора натриевой соли одноосновной карбоновой кислоты на аноде образовались газ и жидкость, содержащая 83,72% углерода по массе. Назовите неизвестную соль и напишите уравнение реакции электролиза.

Решение:

Шаг 1. Определение состава вещества, образующегося на аноде

На аноде выделяются продукты окисления анионов натриевой соли одноосновной карбоновой кислоты. В данном случае соль представлена формулой $\text{C}_n\text{H}_{2n+1}\text{COONa}$, где $\text{C}_n\text{H}_{2n+1}$ — алкильный радикал.

При электролизе карбоксилат-анионы ($\text{RCOO}^-$) теряют электрон на аноде, образуя нестабильные радикалы $\text{RCOO}^\cdot$. Эти радикалы распадаются на углекислый газ ($\text{CO}_2$) и алкильные радикалы ($\text{R}^\cdot$). Алкильные радикалы ($\text{R}^\cdot$) затем вступают в реакции:

• Димеризации, образуя углеводороды ($\text{R-R}$).
• Окисления, образуя кислоты, кетоны или иные производные.

В данном случае указано, что образуется газ и жидкость, содержащая 83,72% углерода. Такой состав характерен для вещества с формулой $\text{C}_n\text{H}_{2n}$, что соответствует алкенам.

Шаг 2. Расчёт молекулярной формулы жидкости

Процентный состав жидкости: 83,72% углерода. Рассчитаем массовую долю водорода:

Отношение массовых долей элементов к их молярным массам:

Соотношение атомов $\text{C:H}$ приблизительно равно $1:2$. Следовательно, эмпирическая формула жидкости — $\text{CH}_2$. Это соответствует алкенам общего вида $\text{C}_n\text{H}_{2n}$.

Шаг 3. Определение исходной соли

Образование алкенов на аноде возможно, если исходная соль содержит алкильную группу с чётным числом атомов углерода, так как димеризация радикалов $\text{R}^\cdot$ приводит к симметричным углеводородам. Наиболее простая соль — натрий пропионат ($\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COONa}$).

Шаг 4. Уравнение реакции электролиза

Электролиз водного раствора натрия пропионата:

1. На аноде:

   $$2 \text{CH}_3\text{CH}_2\text{COO}^- \xrightarrow[]{\text{анод}} 2 \text{CH}_3\text{CH}_2^\cdot + 2 \text{CO}_2 + 2e^-.$$

   Алкильные радикалы $\text{CH}_3\text{CH}_2^\cdot$ димеризуются:

   $$2 \text{CH}_3\text{CH}_2^\cdot \xrightarrow[]{\text{димеризация}} \text{CH}_3\text{CH} = \text{CH}_2.$$

   Также выделяется углекислый газ.

2. На катоде: Водород выделяется за счёт восстановления воды:

   $$2 \text{H}_2\text{O} + 2e^- \xrightarrow[]{\text{катод}} \text{H}_2 + 2 \text{OH}^-.$$

3. Общее уравнение:

   $$2 \text{CH}_3\text{CH}_2\text{COONa} + 2 \text{H}_2\text{O} \xrightarrow[]{\text{электролиз}} \text{CH}_3\text{CH} = \text{CH}_2 + 2 \text{CO}_2 + \text{H}_2 + 2 \text{NaOH}.$$

Ответ:

• Неизвестная соль: натрий пропионат ($\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COONa}$).
• Уравнение реакции: $$2 \text{CH}_3\text{CH}_2\text{COONa} + 2 \text{H}_2\text{O} \xrightarrow[]{\text{электролиз}} \text{CH}_3\text{CH} = \text{CH}_2 + 2 \text{CO}_2 + \text{H}_2 + 2 \text{NaOH}.$$