Примеры составления условий задач и их решения. Разобрать процессы, протекающие у электродов при электролизе водных растворов: Na2SO4, Cd(NO3)2, KBr

Задача 472

Разобрать процессы, протекающие у электродов при электролизе водных растворов: Na₂SO₄, Cd(NO₃)₂, KBr, CuCl₂; для каждого из них составить общее уравнение реакции.

Решение:

Вода может быть как окислителем, так и восстановителем, поэтому при электролизе водных растворов у электродов могут восстанавливаться и окислиться не ионы электролита, а вода. Это зависит от сравнительной величины окислительно-восстановительных потенциалов воды и ионов электролита.

I. Электролиз водного раствора Na₂SO₄.

Стандартный электродный потенциал системы

В

значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной водной среде

В.

Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода:

2H₂O +2e ® H₂↑ + 2OH^–,

а ионы Na⁺, приходящие к катоду, будут накапливаться в прилегающей к нему части раствора (катодное пространство).

На аноде будет происходить электрохимическое окисление воды, приводящее к выделению кислорода:

2H₂O – 4e → O₂ + 4H⁺; В,

поскольку отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал, характеризующий систему: 2SO₄^2– – 2e = S₂O₈^2–, В.

Ионы SO₄^2–, движущиеся при электролизе к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве.

Умножая уравнение катодного процесса на два и складывая его с уравнением анодного процесса, получаем суммарное уравнение процесса электролиза:

6H₂O ↔ 2H₂↑ + 4OH^– + O₂↑ + 4H⁺.

у катода у анода

Приняв во внимание, что одновременно происходит накопление ионов Na⁺ в катодном пространстве и ионов SO₄^2– в анодном пространстве, суммарное уравнение процесса можно записать в следующей форме:

2Na₂SO₄ + 6H₂O ↔ 2H₂↑ + 4NaOH + O₂↑ + 2H₂SO₄.

у катода у анода

Таким образом, одновременно с выделением водорода и кислорода образуется гидроксид натрия (в катодном пространстве) и серная кислота (в анодном пространстве).

В случае, когда растворы катодного и анодного пространств перемешиваются, образующиеся в результате электролиза щелочь и кислота нейтрализуются и дают вновь соль (Na₂SO₄):

4NaOH + 2H₂SO₄ = 2NaSO₄ + 4 H₂O.

В итоге электролиз сводится к электрохимическому разложению воды:

2. Электролиз водного раствора Cd(NO₃)₂.

Решение:

При электролизе водных растворов солей цинка, железа, кадмия и некоторых других металлов, стоящих в ряду напряжения, хотя и левее водорода, но близко к нему, на катоде выделяются эти металлы. Объясняется это тем, что процесс разрядки ионов Н⁺ осложняется адсорбцией атомов и молекул водорода на поверхности электродов. Для того чтобы десорбировать водород и получить его в газообразном состоянии, необходимо приложить избыточную э.д.с. Увеличение э.д.с. приводит к тому, что на катоде происходит выделение металла, стоящего в ряду напряжения левее водорода:

Cd²⁺ + 2e ↔ Cd, В.

Нитрат-ионы скапливаются вблизи анода, но окислению легче подвергается вода:

2H₂O – 4e → O₂ + 4H⁺, В.

В целом процесс выражается уравнением

2Cd(NO₃)₂ + 2H₂O ↔ 2Cd + O₂↑ + 4HNO₃.

у катода у анода

При электролезе солей, состоящих из ионов малоактивных металлов (стоящих в ряду напряжения после водорода) и кислородсодержащих анионов, также набдюдается выделение металла на катоде. На аноде выделяется кислород в результате окисления воды с изменением pH среды за счет вторичного процесса – образования кислоты.

3. Электролиз водного раствора КВr.

Решение:

Ионы калия обладают меньшей окислительной способностью, чем вода. Поэтому на катоде происходит восстановление воды, а на аноде – окисление брома, которые обладают большей восстановительной способностью, чем вода.

катод K⁺, HOH; 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^– в-е, о-ль PH > 7

анод Br^–, HOH; 2Br^– – 2e = Br₂ о-е, в-ль

катионы активного металла калия, которые не восстанавливаются на катоде, накап- ливаются в прикатодном пространстве.

В целом процесс выражается уравнением

4. Электролиз водного раствора СuCl₂.

Решение:

В растворе хлорид меди (II) диссоциирует на ионы:

CuCl₂ « Cu²⁺ + 2Cl^–

Значение стандартного электродного потенциала меди (0,34 В) положительно, следовательно, ионы меди(II) будут легко восстанавливаться в водных растворах: катод (-) Сu²⁺ + 2e ® Сu .

Хлорид -анионы, как и многие анионы бескислородных кислот, окисляются в водных растворах: анод (+) 2 СI^– -2e® С1₂

Суммарное уравнение процесса:

1 2 Cl^– – 2e ® Cl₂ o-e, в-ль; В

1 Cu²⁺ + 2е ® Cu в-е, о-ль; В

Задача 503

Вычислить массу серебра, выделившуюся на катоде при пропускании тока силой 6А через раствор нитрата серебра в течение 30 мин.

Решение:

Соотношения между количеством прошедшего электричества и количеством вещества, выделившегося при электролизе, были открыты английским физиком М. Фарадеем в 30-х годах XIX века.

Первый закон. Количества веществ, превращенных при электролизе, пропорциональны количеству электричества, прошедшего через электролит.

Второй закон. При прохождении одного и того же количества электричества через различные электролиты количества различных веществ, испытывающие превращение у электродов, пропорциональны химическим эквивалентам этих веществ.

Для выделения или превращения с помощью тока 1г-экв любого вещества необходимо всегда одно и то же количество электричества, называемое числом Фарадея.

Выразим законы Фарадея общим уравнением:

,

где m – масса продукта электролиза, г; I – сила тока, А; t – время, с; F – число Фарадея – 96500 к/г-экв; Э – химический эквивалент, г/г-экв.

Вычисляем массу, выделившуюся на катоде, серебра:

г.

Задача 509

Найти объем кислорода (условия нормальные), который выделится при пропускании тока силой 6А в течение 30 мин через водный раствор KOH.

Решение:

При вычислении объемов выделившихся газов представим уравнение Фарадея в следующей форме:

,

где V – объем выделившегося газа, л; V_э – его эквивалентный объем, л/моль.

Поскольку при нормальных условиях эквивалентный объем водорода равен 11,2 л/моль, а кислорода - 5,6 л/моль, то получим

л.

Задача 515

При электролизе водного раствора АgNO₃ с нерастворимым анодом в течение 50 мин при силе тока в 3,0 А на катоде выделилось 9,6 г серебра. Вычислить выход по току.

Решение:

При практическом проведении электролиза действительный расход тока, вследствие протекания тех или иных побочных процессов, обычно превышает количество его, рассчитанное согласно закону Фарадея. Поэтому на практике часто приходится иметь дело с коэффициентом использования тока, или с так называемым выходом по току (η – эта).

Выходом по току называется отношение количества практически выделенного при электролизе вещества к тому количеству его, которое должно было бы выделиться согласно закону Фарадея.

Выход по току находим как ,

Отсюда .

Задача 532

Сколько времени нужно пропускать ток силой 2,0 А через раствор сульфата никеля, чтобы покрыть металлическую пластинку 200 см² слоем никеля, толщиной 0,01 мм, если плотность никеля 8,9 г/см³. Выход по току составляет 90 %.

Решение:

Объем покрытия V=S×h = 200× 0,001= 0.2 см³

Масса будет равна m_факт = V × r = 0,2 ×8,9 = 1,78 г.

Эквивалентная масса никеля Э = 29,345 г/моль.

Решая уравнение

относительно t и подставляя в него числовые значения, находим

= 3251 с = 54,19 мин.

Итак, при практическом осуществлении электролиза часто наблю­даются кажущиеся отклонения от закона Фарадея. Чаще всего они проявляются при катодном восстановлении электроотрицательных металлов, когда часть электрического тока расходуется на разряд ионов водорода.

Законы электролиза относятся к электролизу растворов, расплавов и твердых электролитов с чисто ионной проводимостью.

Задача 533

Определить толщину слоя металла – Pt ( в миллиметрах), нанесенного на другой металл гальваническим методом. Исходный электролит H₂[PtCl₆]. Площадь поверхности металлической пластинки 250 см², плотность пластины 21,47 г/см². Время электролиза 45 мин, ток силой 0,2 А, выход по току составляет 90%.

Решение:

Зная выход по току, определяем количество выделенного при электролизе вещества:

г.

Тогда объем покрытия: и толщина слоя: .

При выполнении задания рекомендуется использовать методические указания [6].

В задачах (472–502) разобрать процессы, протекающие у электродов при электролизе водных растворов веществ, для каждого из них составить общее уравнение реакции

В задачах 503–508 вычислить массу вещества, выделившуюся при пропускании тока через раствор в течение времени:

В задачах 509–514 найти объем газа (условия нормальные), который выделится при пропускании тока в течение определенного вре­мени через водный раствор соли

В задачах 515–524 вычислить выход по току при электролизе по следующим данным:

В задачах 525–532 определить время, необходимое для нанесения слоя одного металла на другой гальваническим способом

В задачах 533–540 определить толщину слоя металла (в миллиметрах), нанесенного на другой металл гальваническим методом

РАСТВОРЫ