Задание 20 ЕГЭ по химии: электролиз расплавов и растворов

Что проверяет задание

Задание 20 проверяет понимание процессов, происходящих на электродах при электролизе расплавов и водных растворов электролитов. Экзаменатор смотрит, умеет ли школьник:

• определять, что восстанавливается на катоде, а что окисляется на аноде;
• различать поведение веществ в расплаве и в водном растворе;
• пользоваться рядом активности металлов и знанием свойств анионов;
• в расчётных вариантах — применять закон Фарадея для нахождения массы, объёма или количества вещества продукта электролиза.

Задание опирается на темы «Электролитическая диссоциация», «Окислительно-восстановительные реакции», «Металлы» и требует не зубрёжки, а понимания логики: кто «сильнее» отдаёт или принимает электроны в конкретных условиях.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

В экзаменационных и тренировочных вариантах задание 20 встречается в двух форматах:

1. Задание на соответствие. Даны формулы веществ (солей, оснований, кислот) и список возможных продуктов электролиза. Нужно сопоставить каждой формуле продукт, образующийся на катоде или на аноде при электролизе водного раствора этого вещества. Ответ записывается цифрами без пробелов, например «3534».
2. Расчётная задача. По известной силе тока, времени электролиза или массе выделившегося вещества нужно найти другую величину, используя закон Фарадея.

За полностью верное соответствие всех четырёх позиций даётся 2 балла, за одну ошибку — 1 балл, за две и более — 0 баллов. Расчётные варианты также оцениваются в 1–2 балла в зависимости от полноты решения.

Что нужно знать

• Электролиз — окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах под действием постоянного электрического тока, пропускаемого через расплав или раствор электролита.
• На катоде (отрицательный электрод) всегда идёт восстановление — присоединение электронов.
• На аноде (положительный электрод) всегда идёт окисление — отдача электронов.
• При электролизе расплава: на катоде восстанавливается катион металла до простого вещества, на аноде окисляется анион до простого вещества (кислорода, галогена, серы и т. д.), вода в процессе не участвует.
• При электролизе водного раствора конкурентом иона выступает вода, поэтому нужно знать три группы катионов и две группы анионов.

Катод (правила для раствора):

• Катионы металлов от $\mathrm{Li^+}$ до $\mathrm{Al^{3+}}$ (включительно, левее алюминия в ряду активности) не восстанавливаются — вместо них идёт реакция $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 + 2OH^-$.
• Катионы металлов средней активности (от $\mathrm{Mn^{2+}}$ до $\mathrm{Pb^{2+}}$, то есть до водорода) в заданиях ЕГЭ обычно считаются восстанавливающимися до металла.
• Катионы металлов правее водорода ($\mathrm{Cu^{2+}}, \mathrm{Ag^+}, \mathrm{Hg^{2+}}, \mathrm{Au^{3+}}$ и др.) всегда восстанавливаются до металла.
• Ионы $H^+$ (в кислотах) восстанавливаются до $H_2$.

Анод, инертный электрод (правила для раствора):

• Анионы бескислородных кислот, кроме фторид-иона: $Cl^-, Br^-, I^-, S^{2-}$ — окисляются до простого вещества ($Cl_2, Br_2, I_2, S$).
• Фторид-ион и все кислородсодержащие анионы ($SO_4^{2-}, NO_3^-, CO_3^{2-}, PO_4^{3-}, ClO_4^-$ и т. п.) не окисляются — вместо них окисляется вода: $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 + 4H^+$.
• Гидроксид-ион $OH^-$ (в щелочах) окисляется до кислорода по тому же принципу.

Закон Фарадея: $$m = \frac{M \cdot I \cdot t}{F \cdot n}, \qquad n(e^-) = \frac{I \cdot t}{F},$$ где $M$ — молярная масса вещества, $I$ — сила тока (А), $t$ — время (с), $F = 96500\ \text{Кл/моль}$ — постоянная Фарадея, $n$ — число электронов, участвующих в электродном процессе. Для газов удобно пользоваться формулой $V = \dfrac{n(e^-) \cdot V_m}{n_{\text{эл}}}$, где $V_m = 22{,}4$ л/моль.

Методы решения

1. Метод классификации катиона по ряду активности. Определяем положение металла в электрохимическом ряду напряжений и делаем вывод о продукте на катоде. Пример: в растворе $\mathrm{ZnCl_2}$ цинк стоит правее алюминия, но левее водорода — на катоде выделяется металлический цинк.

2. Метод классификации аниона по составу. Смотрим, содержит ли анион кислород и является ли он фторидом. Пример: в растворе $\mathrm{KNO_3}$ анион $NO_3^-$ кислородсодержащий — на аноде выделяется $O_2$, а не оксид азота.

3. Метод составления полуреакций и суммарного уравнения. Записываем отдельно катодный и анодный процессы, уравниваем число отданных и принятых электронов, складываем уравнения. Пример: электролиз раствора $\mathrm{CuCl_2}$: катод $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$, анод $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2$; суммарно $\mathrm{CuCl_2} \xrightarrow{\text{электролиз}} Cu + Cl_2$.

4. Расчётный метод с законом Фарадея. Используется, если в условии даны сила тока, время, масса или объём продукта — находим количество электронов и через него нужную величину. Пример: при пропускании тока силой 2 А в течение 3860 с через раствор $\mathrm{CuSO_4}$ найдём массу меди: $n(e^-) = \dfrac{2 \cdot 3860}{96500} = 0{,}08$ моль, $n(Cu) = 0{,}04$ моль, $m(Cu) = 0{,}04 \cdot 64 = 2{,}56$ г.

5. Метод сравнения расплава и раствора. Помогает избежать путаницы: в расплаве $\mathrm{NaCl}$ на катоде выделяется натрий, а в растворе того же вещества — водород, потому что натрий как активный металл «проигрывает» воде. Пример: расплав $\mathrm{NaOH}$ — катод $Na$, анод $O_2$; раствор $\mathrm{NaOH}$ — катод $H_2$, анод $O_2$ (натрий вообще не участвует в электродных процессах в растворе).

Алгоритм решения по шагам

Для задания на соответствие:

1. Записать формулу вещества и определить, из чего оно состоит: катион металла (или водорода) и анион кислотного остатка (или гидроксид-ион).
2. Проверить, о расплаве или растворе идёт речь — от этого зависит, участвует ли вода.
3. Для катода определить группу металла по ряду активности: до алюминия — водород из воды; от марганца до свинца — обычно металл; после водорода — металл.
4. Для анода определить тип аниона: бескислородный (кроме фторида) — простое вещество; кислородсодержащий или фторид — кислород из воды.
5. Сопоставить полученный продукт с предложенным списком цифр.
6. Повторить для каждой буквы и собрать итоговую последовательность цифр.

Для расчётной задачи:

1. Определить, какой процесс происходит на нужном электроде, и записать полуреакцию.
2. Найти число электронов, участвующих в образовании одной молекулы (моля) продукта.
3. Вычислить количество электронов через силу тока и время: $n(e^-) = \dfrac{I \cdot t}{F}$.
4. Через мольное соотношение найти количество вещества продукта.
5. Перевести количество вещества в массу или объём с помощью $M$ или $V_m$.

Разбор примеров

Пример 1. Установить соответствие между формулой соли и продуктом на инертном аноде при электролизе водного раствора: А) $K_2CO_3$; Б) $Na_2S$; В) $MgSO_4$; Г) $CuBr_2$. Продукты: 1) $HBr$; 2) $Cu$; 3) $O_2$; 4) $Br_2$; 5) $S$; 6) $SO_2$.

Шаг 1. Все вещества — растворы, значит смотрим на анион и правило «бескислородный / кислородсодержащий». Шаг 2. А) $K_2CO_3$ — анион $CO_3^{2-}$ кислородсодержащий, значит окисляется вода: продукт $O_2$ — цифра 3. Шаг 3. Б) $Na_2S$ — анион $S^{2-}$ бескислородный, окисляется сам анион до простого вещества серы: продукт $S$ — цифра 5. Шаг 4. В) $MgSO_4$ — анион $SO_4^{2-}$ кислородсодержащий, окисляется вода: продукт $O_2$ — цифра 3. Шаг 5. Г) $CuBr_2$ — анион $Br^-$ бескислородный, окисляется до $Br_2$ — цифра 4. Итоговый ответ: 3534. Совпадает с эталонным.

Пример 2. Установить соответствие между формулой вещества и продуктом на катоде при электролизе водного раствора: А) $CuSO_4$; Б) $AgF$; В) $Ba(OH)_2$; Г) $LiOH$. Продукты: 1) $H_2$; 2) $Ba$; 3) $Cu$; 4) $O_2$; 5) $Ag$; 6) $Li$.

Шаг 1. Смотрим на катион и его положение в ряду активности. Шаг 2. А) $Cu^{2+}$ — металл правее водорода, восстанавливается до металла: продукт $Cu$ — цифра 3. Шаг 3. Б) $Ag^+$ — металл правее водорода, восстанавливается до металла: продукт $Ag$ — цифра 5. Шаг 4. В) $Ba(OH)_2$ — катион $Ba^{2+}$, щёлочноземельный металл, стоит значительно левее алюминия, поэтому вместо него восстанавливается вода: продукт $H_2$ — цифра 1. Шаг 5. Г) $LiOH$ — катион $Li^+$, самый активный металл, также восстанавливается вода: продукт $H_2$ — цифра 1. Итоговый ответ: 3511. Совпадает с эталонным.

Пример 3. Установить соответствие между формулой соли и продуктом на инертном аноде: А) $NiSO_4$; Б) $NaClO_4$; В) $LiCl$; Г) $RbBr$. Продукты: 1) $S$; 2) $SO_2$; 3) $Cl_2$; 4) $O_2$; 5) $H_2$; 6) $Br_2$.

Шаг 1. Работаем с анионами, электролиз растворов, электрод инертный. Шаг 2. А) $NiSO_4$ — анион $SO_4^{2-}$ кислородсодержащий, продукт $O_2$ — цифра 4. Шаг 3. Б) $NaClO_4$ — анион $ClO_4^-$ (перхлорат) кислородсодержащий, продукт $O_2$ — цифра 4. Шаг 4. В) $LiCl$ — анион $Cl^-$ бескислородный, продукт $Cl_2$ — цифра 3. Шаг 5. Г) $RbBr$ — анион $Br^-$ бескислородный, продукт $Br_2$ — цифра 6. Итоговый ответ: 4436. Совпадает с эталонным.

Во всех трёх примерах ключевая логика одна: сначала определяем, расплав это или раствор, затем классифицируем нужный ион (катион для катода, анион для анода) по правилам выше, и только потом сопоставляем с предложенным списком продуктов, не путая похожие формулы (например, $Br_2$ и $HBr$, $SO_2$ и $O_2$).

Типичные ошибки и ловушки

• Путают катод и анод: забывают, что восстановление всегда на катоде, а окисление — на аноде, независимо от знака заряда электрода в гальваническом элементе.
• Забывают учитывать воду в водных растворах и пытаются восстановить активный металл (например, натрий или кальций) до простого вещества, хотя реально выделяется водород.
• Не различают фторид-ион и остальные галогениды: $F^-$ ведёт себя как кислородсодержащий анион (не окисляется), а $Cl^-, Br^-, I^-$ — окисляются.
• Путают продукты окисления кислородсодержащих анионов, ошибочно указывая $SO_2$, $NO_2$ или другие оксиды вместо $O_2$ — на инертном аноде из таких анионов всегда выделяется кислород, а не оксид неметалла.
• Неверно определяют границу «активный/малоактивный» металл: часто забывают, что алюминий ещё относится к группе, где выделяется водород, а марганец уже условно восстанавливается как металл.
• В расчётных задачах путают число электронов в полуреакции (например, для $Cu^{2+}$ нужно 2 электрона, а не 1) и получают вдвое неверный результат.
• Забывают, что при электролизе расплава вода отсутствует, поэтому правила «конкуренции с водой» там не действуют вовсе — там всегда выделяется чистый металл и простое вещество аниона.
• Не учитывают изменение среды раствора после электролиза: у катода из-за выделения $H_2$ и накопления $OH^-$ среда становится щелочной, у анода из-за выделения $O_2$ и $H^+$ — кислой.

Как готовиться

Для уверенного решения задания 20 полезно построить собственную таблицу-шпаргалку с тремя строками (активные, средние, малоактивные металлы) и двумя строками для анионов (бескислородные и кислородсодержащие), выучить её наизусть до автоматизма. Дальше стоит прорешать подряд 15–20 заданий на соответствие из разных вариантов, обращая внимание именно на пограничные случаи: алюминий и марганец, фторид среди галогенидов, перхлорат и хлорид. Отдельно стоит отработать расчётные варианты — держать под рукой формулу закона Фарадея и тренироваться быстро находить число электронов в полуреакции для разных ионов ($Na^+$ — 1 электрон, $Ca^{2+}$ — 2, $Al^{3+}$ — 3 и т. д.). Полезно решать задания вперемешку с электролизом расплавов, чтобы не путать логику «есть вода — есть конкуренция» и «расплав — конкуренции нет». Финальный этап подготовки — прогон по демонстрационным и диагностическим вариантам ФИПИ текущего года, чтобы привыкнуть к формулировкам и формату записи ответа без пробелов и лишних символов.