Составление схем электродных процессов на электродах при электролизе солей

 

Электролиз водного раствора соли хлорида железа (ⅠⅠ)


Задача 152.
Составьте схему электролиза  водного раствора FeCl2. Вычислите время, в течение которого должен быть пропущен ток силой I A через раствор, чтобы на катоде выделилось m (г) металла.(восстановление воды не учитывать) 
Раствор FeCl2 , катод-угольный, анод-угольный. I = 4 А , m = 2.9 г
Решение:
Е(Fe2+/Fe) = 0,44 В;
M(FeCl2) = 126,751 г/моль
Э(FeCl2) = 63,3755 г/?моль.
В водном растворе соль FeCl2 диссоциирует по схеме:  FeCl2 = Fe2+ + 2Cl. Стандартный электродный потенциал системы 
Fe2+ + 2электрона  = Fe0 (-0,44 В) незначительно положительнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление ионов Fe2+ и Н2О:

Fe2+ + 2ē = Fe0
2О + 2ē = Н2 + 2ОН

На аноде будет происходить электролитическое окисление ионов хлора с образованием свободных атомов хлора, которые, соединяясь друг с другом, образуют молекулу хлора:

2Cl - 2ē  =  2Cl*
Cl* + Cl* = Cl2

Сложим уравнение катодного и анодного процессов, получим суммарное ионно-молекулярное уравнение:

Fe2+ + 2Н2О + 2Cl = 2Fe0 + Н2↑ + 2ОН + Cl2↑ 

На аноде ионы Fe2+ соединяются с двумя ионами ОН, образуя нерастворимый гидроксид железа (ⅠⅠ) Fe(OH)2:

Fe2+ + 2ОН = Fe(OH)2

Тогда молекулярная форма процесса будет иметь вид:

2FeCl2 + 2H2O = Fe + H2↑ +  2Сl2↑+ Fe(OH)2
                                 катод     анод

При гидролизе FeCl2 в водном растворе с инертными электродами образуются металлическое железо, и выделяются газообразный водород и хлор. На катоде будет выделяться металлическое железо и газообразный водород, а на аноде - хлор.
Рассчитаем время электролиза FeCl2, получим:

m = (Э . I . t)/F;
t = (m . F)/(Э . I) = (2,9 . 96500)/(63,3755 . 4) = 48250/324,96 = 1104 c.

 


Электролиз водного раствора нитрата кадмия

Задача 153.
Электролиз раствора нитрата кадмия с графитовыми электродами и кадмиевым анодом. Опишите электродные процессы на электродах.
Решение:
В водном растворе соль нитрата кадмия диссоциирует по схеме: 

Cd(NO3)2 = Cd2+  + 2NO3

1. Электролиз раствор нитрата кадмия с графитовыми электродами 

Стандартный электродный потенциал системы Cd2+  +  2ē  = Cd0 (-0,402 В) незначительно отличается от потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода, поэтому на катоде протекают одновременно две реакции – образование водорода и выделение кадмия:

2|Катод(-): Cd2+ + 2ē =  Cd0;
                 2H2O + 2ē = H2↑ + 2OH;
1|Анод(+): 2H2O - 4ē = O2↑ + 4H+;
6H2O = О2↑ + 2H2↑ + 4OH + 4Н+

Уравнение электролиза будет иметь вид:

2Cd2+ + 2Н2О = 2Cd0 + H2↑ + O2↑ + 4Н+

Таким образом, в катодном пространстве будут разряжаться ионы кадмия и молекулы воды при этом на графитовом электроде откладываеся металлический кадмий и выделяется газообразный водород, а в анодном пространстве будет у графитового электрода будет выделяться газообразный водород и будут накапливаться ионы NO3 и H+. Среда у анода в процессе электролиза Cd(NO3)2 становится кислой.

Суммарная реакция электролиза в молекулярной форме:

2Cd(NO3)2 + 4Н2О = 2Cd + H2↑ + O2↑ + 4НNO3

2. Электролиз раствора нитрата кадмия с кадмиевым анодом

Так как кадмиевый анод растворим в условиях электролиза соли Cd(NO3)2, то на аноде происходит окисление материала анода. Поэтому при электролизе Cd(NO3)2 с использованием кадмиевого анода на катоде будет выделяться чистый кадмий и водород, а на аноде ионы кадмия не будут разряжаться, и, следовательно, выделение кислорода не наблюдается. В данном случае происходит растворение самого кадмиевого анода, т.е. с анода кадмий в виде ионов Cd2+ переходит в раствор.

Электродные процессы на электродах:

1|Катод(-): Cd2+ + 2ē =  Cd0;
                   2H2O + 2ē = H2↑ + 2OH;
2|Анод(+): Сd0 – 2ē = Cd2+

Уравнение электролиза в ионно-молекулярном виде:

Сd2+ + 2H2O + 2Cd0 =  Cd0 + 2Cd2+ + H2↑ + 2OH

После приведения членов в обеих частях равенства получим:

Сd0 + 2H2O = Cd2+ + H2↑ + 2OH-

Ионы кадмия Cd2+ у анода будут соединяться с ионами ОН-, образуя малорастворимое основание Cd(OH)2:

Cd2+ + 2OH = Cd(OH)2

Суммарная реакция электролиза в молекулярной форме:

Cd + 2Н2О =  H2↑ +Cd(OH)2
 


Электролиз водного раствора соли хлорида меди (Ⅰ)


Задача 154.
Составить схему электролиза соли CuCl. Рассчитать массу меди, выделившейся при электролизе соли CuCl, если в течении 40 минут пропущен ток силой 3 А.
Решение:
Mэ(CuCl) = 98,999 г/моль;
I = 3 A;
t = 40 мин = 2400 с.

1. Электродные процессы

Медь находятся в ряду активности металлов «после водорода», значит на катоде будет протекать реакция восстановления только меди:

Cu+ + 1ē  = Cu0

Стандартный электродный потенциал системы Cu+ + 1ē  = Cu0 (+0,52 В) значительно положительнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление ионов меди:

Cu+ +  1ē = Cu0

Так как стандартный электродный потенциал системы  2H2O - 4ē = O2↑ + 4OH и  2Cl + 2ē = Cl2, соответственно, равны 1,23В и 1,36 B, то на
аноде будет: 2Cl + 2ē = Cl2.

Схема электролиза соли CuCl с использованием графитовых электродов:

2|Катод: Cu+ + 1ē  =   Cu0
1|Анод:  2Cl + 2ē = Cl2.

Суммарное уравнение катодного и анодного процессов будет иметь вид:

2Cu+ + 2Cl =  2Cu0  +   Cl2              
                       катод      анод  

Молекулярная форма:

2СuCl =  2Cu  +   Cl2    

Таким образом, при электролизе водного раствора CuCl с использованием графитовых электродов на катоде выделяется металлическая медь, а на аноде - газзобразный хлор.

2. Вычисление количества полученной меди

Для вычисления массы меди используем выражение из первого закона электролиза Фарадея:

m(B) = [M(Э)•I•t]/F = M(Э)•q, где

m(B) - масса выделяемого веществав;  M(Э) - электрохимический эквивалент (молярная масса эквивыалента вещества); I – сила тока; t – время; F - число Фарадея (96500 Кл/моль); q - количество электричества. 
Тогда
m(CuCl) = [Mэ(CuCl)•I•t]/F = (98,999•3•2400)/96500 = 7,4 г.

Ответ: m(CuCl) = 7,4 г.