Химия

а. При растворении в воде сульфат натрия переходит в раствор в виде ионов, которые окружаются полярными молекулами воды

$Na_2SO_4 \rightarrow 2Na_{aq}^{+} + SO_{4aq}^{2-}$ ($aq = nH_2O$).

В электрическом поле, вызванном разностью потенциалов между электродами, гидратированные ионы движутся к электродам противоположного знака ($Na^+/H_2O$ к катоду, а $SO_4^{2-}/H_2O$ к аноду). На электродах происходит разрядка не ионов натрия и сульфат-ионов, а ионов водорода и гидроксид-ионов, в небольшой степени образующихся при диссоциации воды

$H_2O \rightleftharpoons H^{+} + OH^{-}$,
$2H^{+} + 2e = H_2$,
$2OH^{-} - 2e = 2OH \rightarrow H_2O + O$, $2O = O_2$.

(Точнее, на электродах принимают или отдают электроны полярные молекулы воды, превращаясь при этом в простые вещества и ионы

на катоде: $2H_2O + 2e = H_2 + 2OH^{-}$,
на аноде: $4OH^{-} - 4e = 2H_2O + O_2$.)

Возможность разрядки ионов на электродах определяется величиной нормального электродного потенциала. В указанных условиях потенциал разрядки ионов водорода (молекул воды) значительно ниже, чем соответствующий потенциал ионов натрия, и поэтому ионы водорода превращаются в незаряженные атомы намного легче, чем ионЫ натрия, иными словами можно сказать, что процесс выделения водорода требует меньшей затраты энергии, чем процесс выделения натрия, а реакция идет в первую очередь тому пути, где затраты энергии меньше, поэтому на катоде выделяется водород, а не натрий.

Аналогичное явление наблюдается и у анода - ионы $OH^{-}$, образованные водой, теряют электроны легче, чем $SO_4^{2-}$-ионы. Соль добавляют для обеспечения прохождения электрического тока, т. е. для появления в электролите (растворе) заряженных ионов, так как сама вода практически не проводит электрический ток, и провести ее электролиз не удается. При растворении в 1 л воды 1 моля соли несколько меняется степень диссоциации воды, и количество ионов в растворе возрастает во много миллионов раз, соответственно облегчается процесс электролиза.

Таким образом, соль увеличивает электропроводность раствора, количество ионов в котором недостаточно для успешного течения процесса электролиза.

б. При электролизе растворов солей цинка не должно было бы происходить выделение металла, так как цинк имеет значительно более высокий электродный потенциал, чем водород. По теоретическим соображениям, однако, для выделения водорода на цинковом электроде необходим дополнительный потенциал, который называют перенапряжением. Перенапряжение водорода на цинковом электроде столь велико, что в первую очередь происходит выделение цинка, а не водорода. В реальных условиях эти процессы происходят параллельно, в результате чего водород нарушает кристаллическую структуру цинка вследствие проникновения внутрь кристаллов выделяющегося металла и внедрения как в массу кристаллов, так и между кристаллами Цинка. В обоих случаях прочность металла падает и он приобретает хрупкость.

в. Чистый цинк с трудом взаимодействует с кислотами из-за перенапряжения водорода на поверхности цинка.

При добавлении к реакционной смеси соли меди происходит реакция

$Zn + Cu^{2+} = Cu + Zn^{2+}$,

и выделяющийся металл оседает на поверхности цинка. После этого цинк свободно может отдавать ионы металла в раствор, Избыточный заряд, возникающий при этом, передается ионам водорода, которые разряжаются не на цинковой поверхности (эффект перенапряжения), а на выделившейся меди, где не наблюдается эффекта перенапряжения. Поэтому водород выделяется намного интенсивнее.