Составление электронных уравнений процессов, происходящих на электродах при электролизе солей

 

Задание 271.
Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах при электролизе раствора AgNO3. Если электролиз проводить с серебряным анодом, то его масса уменьшается на 5,4 г. Определите расход электричества при этом. Ответ: 4830 Кл.
Решение:
Процессы, происходящие на угольных электродах при электролизе нитрата серебра:

Стандартный электродный потенциал системы Ag+ +  электрон  = Ag0 (+0,80 В) значительно положительнее потенциала водородного электрода в кислой среде (0,00 В). В  этом случае на катоде будет происходить электрохимическое восстановление меди Ag+:

Ag+ +  электрон  = Ag0

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

2О - 2электрон   = О2↑ + 4Н+,

поскольку, отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+1,23 В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал, характеризующий систему из кислородной кислоты. Ионы NO3-, движущиеся при этом к аноду, будут накапливаться  в анодном пространстве.

Расход электричества, необходимый для проведения электролиза находим из уравнения Фарадея, имея в виду, что МЭ(Ag) = 107,868 г/моль, m(Ag) = 5,4 г; Q = I . t, получим:

m(B) = МЭ(B) . t/F 
Q = I . t = m(B) F/ МЭ(B). = 5,4  .  96500/107,868 = 4830 Кл;

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

ОтветQ = 4830 Кл.


Задание 272.
Электролиз раствора СuSO4 проводили в течение 15 мин при силе тока 2,5 А. Выделилось 0,72 г меди. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах в случае медного и угольного анодов. Вычислите выход по току (отношение массы выделившегося вещества к теоретически возможной). Ответ: 97,3%.
Решение:
а) Электролиз медного купороса на угольных электродах:
Стандартный электродный потенциал системы Cu2+ + 2 электрон  = Cu0 (+0,34 В) значительно положительнее потенциала водородного электрода в кислой среде (0,00 В). В  этом случае при электролизе соли на угольных электродах, на катоде будет происходить электрохимическое восстановление меди Cu2+:

Cu2+ + 2 электрон  = Cu0

 

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

2О - 4 электрон  = О2 + 4Н+,

поскольку, отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+1,23 В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (+2,01 В), характеризующий систему: 2SO42- - 2 электрон  = 2S2O82-. Ионы SO42-, движущиеся при этом к аноду, будут накапливаться  в анодном пространстве.

б) Электролиз медного купороса в случае медного анода:
При электролизе медного купороса на медном аноде на катоде будет электрохимическое восстановление меди Cu2+. На аноде будет происходить электрохимическое окисление меди, приводящее к выделению в анодное пространство ионов Cu2+, поскольку  отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+0,34 В) значительно ниже, чем стандартный потенциал (+1,23 В), характеризующий систему

2О - 4 электрон  = О2 + 4Н+

 

т. е. в данном случае при электролизе будет происходить растворение медного анода и отложение меди на катоде. Электрохимические процессы при данном типе электролиза:

Катод: Cu2+ + 2 электрон  = Cu0;
Анод: Cu0 - 2 электрон  = Cu2+

 

в) Вычисление выхода меди по току.
Массу теоретического выхода меди вычислим из уравнения Фарадея, имея в виду, что 15 мин = 900 с и МЭ(Cu) = 31,77 г/моль, I = 2,5 A, получим:

m(Cu) = МЭ(В) . t/F = 31,77 . 2,5 . 900/96500 = 0,74 г.

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

Выход по току (отношение массы выделившегося вещества к теоретически возможной) равен:

m%  =  (0.72 . 100)/0,74 = 97,3% 

Ответ: m%  = 97,3%.


Задание 273.
Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на графитовых электродах при электролизе расплавов и водных растворов NaCl и КОН. Сколько литров (н.у.) газа выделится на аноде при электролизе гидроксида калия, если электролиз проводить в течение 30 мин при силе тока 0,5 А? Ответ: 0,052 л.
Решение:
а) При электролизе расплава соли NaCl происходит диссоциация: NaCl ⇔ Na+ + Cl-. Ионы натрия движутся к катоду, где окисляются до металлического натрия:

Na+электрон    = Na0

 

Ионы хлора движутся к аноду, где восстанавливаются до газообразного хлора:

2Сl- - 2электрон   = Cl20

 

Таким образом, при электролизе расплава NaCl на катоде выделяется металлический натрий, а на аноде – газообразный хлор.
При электролизе раствора соли хлорида натрия в электрохимических процессах кроме ионов натрия и хлора участвует и вода. Стандартный электродный потенциал системы Na+электрон   = 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):

2О + 2электрон   = Н2  + 2ОН-

На аноде будет происходить электрохимическое окисление ионов Cl-, приводящее к выделению хлора:

2Сl- - 2электрон   = Сl20

поскольку  отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+1,36 В) значительно ниже, чем стандартный потенциал (+1,23 В), характеризующий систему

2О - 4электрон   = О2  + 4Н+

б) КОН - сильный электролит, который диссоциирует по схеме:

КОН  К+ + ОН-

При электролизе расплава КОН ионы калия движутся к катоду, где окисляются до свободного калия:

К+электрон   = К0

 

Гидроксид-ионы движутся к аноду, где восстанавливаются с образованием газообразного кислорода и воды:

4OH- - 4электрон   = O2  + 2H2O

Таким образом, при электролизе расплава КОН продуктами электролиза являются металлический калий (у катода) и кислород и вода (у анода).

При электролизе раствора КОН в электрохимических процессах кроме ионов калия и  гидроксид-ионов участвует и вода. Стандартный электродный потенциал системы К+электрон   = 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), образуется гидроксид калия:

2О + 2электрон   = Н2  + 2ОН-

На аноде будет происходить электрохимическое окисление ионов ОН-, приводящее к выделению кислорода:

4ОН- - 4электрон   = О2  + 2Н2О,

поскольку отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+0,54 В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (+1,23 В), характеризующий систему 2Н2О - 4электрон   = О2  + 4Н+.

Таким образом, продуктами электролиза раствора КОН являются газообразные водород и кислород, а в растворе – гидроксид калия КОН.

в) Объём выделившегося газа на аноде находим из уравнения Фарадея, которое представим в следующем виде: 

V = VЭ . I. t/F

Здесь V – объём выделившегося газа, л; m(B) – масса выделившегося вещества, г; VЭ – эквивалентный объём газа, л/моль; I – сила тока равна 0,5 А;  t – время равно 1800 с; F – число Фарадея, 96500 Кл/моль.

Поскольку при нормальных условиях эквивалентный объём кислорода равен 5,6 л/моль, получим:

V(О2) = (5,6 . 0,5 . 1800)/96500 = 0,6\052 л

Ответ: V(О2)  =  0,052 л.