Вычисление массы и объема веществ, образующихся при электролизе

 

 

 

Решение задач по химии на электролиз вещества

 

 

 

Задание 261. 
Электролиз раствора К₂SO₄ проводили при силе тока 5 А в течение 3 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах. Какая масса воды при этом разложилась и чему равен объем газов (н.у.), выделившихся на катоде и аноде? Ответ: 5,03 г; 6,267 л; 3,133 л.
Решение:
Стандартный электродный потенциал системы К⁺ + 1 =  К⁰ (-2,92 В) значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода, а ионы К⁺, приходящие к катоду, будут накапливаться в прилегающей к нему зоне (катодное пространство):

2Н₂О + 2  = Н₂ ↑ + 2ОН^–

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

2Н₂О - 4   = О₂ ↑ + 4Н⁺,

поскольку, отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+1,23 В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (+2,01 В), характеризующий систему: 2SO₄^2- - 2   = 2S₂O₈^2-. Ионы SO₄^2-, движущиеся при этом к аноду, будут накапливаться  в анодном пространстве.

Массу разложившейся воды находим из уравнения Фарадея, имея в виду, что 3 ч = 10800 с и М_Э(Н₂О) = 9 г/моль, получим:

m(H₂O) = М_Э(В) ^. I  ^.  t/F =
= 9 ^. 5 ^. 10800/96500 = 5,036 г.

При вычислении объёмов выделившихся газов представим уравнение Фарадея в следующем виде: 

V = VЭ ^. I ^. t/F

Здесь V – объём выделившегося газа, л; m(B) – масса выделившегося вещества, г; V_Э – эквивалентный объём газа, л/моль; М_Э(В) – масса эквивалента вещества, г/моль; I – сила тока,  А;  t – время, с; F – число Фарадея, 96500.

Поскольку при нормальных условиях эквивалентный объём водорода равен 11,2 л/моль, а кислорода – 5,6 л/моль, получим:

V(H₂) = (11,2 ^. 5 ^. 10800)/96500 = 6,267 л;
V(О₂) = (5,6 ^. 5 ^. 10800)/96500 = 3,133 л;

Ответ: m(H₂O) 5,03 г; V(H₂)  =  6,267 л; V(О₂)  =3,133 л.

---

Задание 262.
При электролизе соли некоторого металла в течение 1,5 ч при силе тока 1,8 А на катоде выделилось 1,75 г этого металла. Вычислите эквивалентную массу металла. Ответ: 17.37 г/моль.
Решение:
Эквивалентную массу металла рассчитаем из уравнения Фарадея относительно эквивалентной массы вещества, подставив в него данные из задачи, получим:

m(В) = М_Э(В) ^. I ^.  t/F;
 
М_Э(Ме) = m(В) ^. F/(I ^. t) =
= (1,75 ^. 96500)/(1,8 ^. 60 ^. 60 ^. 1,5) =
= 17,37 г/моль.

Здесь m(B) – масса выделившегося вещества, г; V_Э – эквивалентный объём газа, л/моль; М_Э(В) – масса эквивалента вещества, г/моль; I – сила тока,  А;  t – время, с; F – число Фарадея, 96500 Кл/моль.

Ответ: 17.37 г/моль.

---

Задание 263.
При электролизе раствора СuSO₄ на аноде выделилось 168 см³ газа (н.у.). Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах, и вычислите, какая масса меди выделилась на катоде. Ответ:0,953г.
Решение:
Стандартный электродный потенциал системы Cu²⁺ + 2   =  Cu⁰ (+0,34 В) значительно положительнее потенциала водородного электрода в кислой среде (0,00 В). В  этом случае на катоде будет происходить электрохимическое восстановление меди Cu²⁺:

Cu²⁺ + 2   = Cu⁰

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

2Н₂О - 4   = О₂↑ + 4Н⁺,

поскольку, отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+1,23 В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (+2,01 В), характеризующий систему: 2SO₄^2- - 2  = 2S₂O₈^2-. Ионы SO₄^2-, движущиеся при этом к аноду, будут накапливаться  в анодном пространстве.

Эквивалентный объём кислорода равен 5,6 л/моль. Тогда количество эквивалентов выделившегося кислорода равно:

 (О₂) = V(O₂)/V_Э(О₂) =
= 0,168/5,6 = 0,03 моль.

Так как  (О₂) =  (Cu), то можно рассчитать массу выделившейся меди при электролизе сульфата меди, получим:

m(Cu) =  (Cu) _. M_Э(Cu) =
= 0,03 ^. 31,77 = 0,953 г.

Ответ: m(Cu) = 0,953 г.

---

Задание 264.
Электролиз раствора Na2SO4 проводили в течение 5 ч при силе тока 7 А. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах. Какая масса воды при этом разложилась и чему равен объем газов (н.у.), выделившихся на катоде и аноде? Ответ: 11,75 г; 14,62 л; 7,31 л.
Решение:
Стандартный электродный потенциал системы Na⁺ +1 = Na⁰ (-2,71 В) значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода, а ионы Na+, приходящие к катоду, будут накапливаться в прилегающей к нему зоне (катодное пространство):

2Н₂О + 2    =  Н₂↑ + 2ОН^-

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

2Н₂О - 4    =   О₂↑ + 4Н^₊,

поскольку, отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+1,23 В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (+2,01 В), характеризующий систему: 2SO₄^2- - 2  = 2S₂O₈^2-. Ионы SO₄^2-, движущиеся при этом к аноду, будут накапливаться  в анодном пространстве.

Массу разложившейся воды находим из уравнения Фарадея, имея в виду, что 5 ч = 18000 с и М_Э(Н₂О) = 9 г/моль, получим:

m(H₂O) = М_Э(В) ^. I ^. t/F =
= 9 ^. 7 ^. 18000/96500 = 11,75 г.

При вычислении объёмов выделившихся газов представим уравнение Фарадея в следующем виде: 

V = V_Э ^. I^. t/F

Здесь V – объём выделившегося газа, л; m(B) – масса выде m(H₂O) = 11,75 г; V(H₂) = 14,62 л;V(О₂) =  7,31 л.лившегося вещества, г; V_Э – эквивалентный объём газа, л/моль; М_Э(В) – масса эквивалента вещества, г/моль; I – сила тока,  А;  t – время, с; F – число Фарадея, 96500.
Поскольку при нормальных условиях эквивалентный объём водорода равен 11,2 л/моль, а кислорода – 5,6 л/моль, получим:

V(H₂) = (11,2 ^. 7 ^. 10800)/96500 = 14,62 л;
V(О₂) = (5,6 ^. 7 ^. 10800)/96500 = 7,31 л

Ответ: V(H₂) =  14,62 л; V(О₂) = 7,31 л.

---