Какие процессы будут происходить при электролизе водного раствора нитрата меди(||) с инертными электродами.Объясните различия процессов

Электролиз водного раствора нитрата меди (II) ($Cu(NO_3)_2$) с использованием инертных электродов (например, графитовых или платиновых) включает несколько процессов, которые зависят от состава раствора и электрического потенциала. Разберём процессы, происходящие на каждом электроде, а также ключевые различия.

Общая информация

Раствор $Cu(NO_3)_2$ содержит ионы:

• $Cu^{2+}$ (катионы меди);
• $NO_3^-$ (анионы нитрата);
• $H_2O$ (молекулы воды, которые также участвуют в реакциях).

Инертные электроды служат только для переноса электронов и не участвуют в химических реакциях, что упрощает анализ.

На катоде (отрицательный электрод)

Здесь происходят восстановительные процессы, так как катод притягивает катионы.

1. Катион меди ($Cu^{2+}$): Ионы меди восстанавливаются в первую очередь, так как их стандартный электродный потенциал ($E^\circ = +0.34 \, \text{В}$) выше, чем у воды ($E^\circ = -0.83 \, \text{В}$ для выделения водорода из воды).

   $$Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu \, (твёрдая \, медь)$$

   На катоде выделяется металлическая медь, которая осаждается в виде твёрдого осадка.

2. Вода: Если концентрация ионов меди низкая, возможно параллельное восстановление воды:

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

   Однако при нормальных условиях восстановление меди значительно предпочтительнее.

На аноде (положительный электрод)

Здесь происходят окислительные процессы, так как анод притягивает анионы.

1. Анионы нитрата ($NO_3^-$): Анионы $NO_3^-$ термодинамически устойчивы и не окисляются при стандартных условиях электролиза. Их стандартный потенциал окисления слишком высок для практического осуществления в данном процессе.

2. Вода: Вода подвергается окислению, так как это более вероятный процесс. Реакция:

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

   На аноде выделяется газообразный кислород ($O_2$), а в растворе повышается концентрация ионов $H^+$, что делает раствор более кислым вблизи анода.

Результаты электролиза

1. На катоде:

   • Выделяется металлическая медь ($Cu$).
   • При низкой концентрации меди может выделяться водород ($H_2$).

2. На аноде:

   • Выделяется кислород ($O_2$).
   • Концентрация $H^+$ увеличивается, что приводит к подкислению раствора.

Различия процессов

1. Катодный процесс:

   • Восстановление меди ($Cu^{2+}$) — ключевой процесс.
   • Восстановление воды возможно, но менее вероятно.

2. Анодный процесс:

   • Окисление воды является основным процессом.
   • Нитрат-анионы ($NO_3^-$) не участвуют в окислении.

Итог

Электролиз водного раствора нитрата меди (II) приводит к осаждению металлической меди на катоде и выделению кислорода на аноде. Эти процессы демонстрируют важные аспекты электрохимии: предпочтение реакций с более низким потенциалом и устойчивость некоторых анионов (в данном случае $NO_3^-$) к окислению.