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+ + 2е = 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
2Н2О + 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 по формуле Фарадея, 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+;
Cd2+ + 6H2O = О2↑ + 2H2↑ + 4OH– + 4Н+
После приведения членов в обеих частях системы 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.
