Расчеты массы веществ и составление уравнений электродных процессов при электролизе растворов электролитов
Расчет массы гидроксида калия, образовавшегося при электролизе раствора фосфата калия
Задача 199.
Сколько граммов KOH образуется у катода при электролизе раствора K3PO4 если на аноде выделилось 11,2 л кислорода?
Решение:
Уравнение диссоциации соли:
K3PO4 = 3K+ + PO43-:
Стандартный электродный потенциал системы К+ + 1ē = 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 + 2ē = Н2↑ + 2ОН-
На аноде будет происходить электрохимическое окисление ионов ОН-, приводящее к выделению кислорода:
4ОН- - 4ē = О2↑ + 2Н2О,
поскольку отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+0,54 В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (+1,23 В), характеризующий систему: 2Н2О - 4ē = О2↑ + 4Н+.
Уравнения электродных процессов:
К(-): 2|(–)2H2O + 2ē → H2↑ + 2OH- (в растворе: K⁺, 2OH⁻);
А(+): 1|(+)2H₂O – 4ē → 4H+ + O2↑ (В растворе: 4H+, PO43-).
Сложив уравнения электродных процессов на катоде и аноде, получим полное ионно-молекулярное уравнение электролиза соли К3РО4:
4Н2О + 2Н2О = 2H2↑ + 4OH-+ 4H++ O2↑
После приведения равенства получим молекулярное уравнение электролиза:
2Н2О = 2H2↑ + O2↑
С учетом того, что диссоциация соли фосфата калия в растворе протекает полностью, запишем молекулярное уравнение реакции её электролиза, получим:
К3РО4 + 5Н2О = 2H2↑ + O2↑ + 3КОН + Н3РО4
Из уравнения электролиза К3РО4 вытекает, что на 1 моль О2 образуется 3 моль КОН, т.е. n(O2) = 3n(KOH).
Находим количество выделившегося кислорода, получим:
n(O2) = V(O2)/Vm = 11,2/22,4 = 0,5 моль;
Тогда
n(KOH) = 3n(O2) = 0,5 • 3 = 1,5 моль.
Отсюда
m(KOH) = n(KOH)•M(KOH) = 1,5 • 56 = 84 г.
Ответ: m(KOH) = 84 г.
Расчет количество вещества меди, перешедшего в раствор с анода при электролизе сульфата меди (II)
Задача 200.
При электролизе водного раствора сульфата меди (II) с медным анодом масса катода увеличилась на 3,2 г. Какое количество вещества меди перешло в раствор с анода?
Ответ: 0,05 моль.
Решение:
Уравнение диссоциации сульфата меди:
CuSO4 ⇔ Cu2+ + SO42-
Стандартный электродный потенциал системы:
Cu2+ + 2ē ⇔ Cu0 (+0,34 В) значительно
положительнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление ионов меди:
Cu2+ + 2ē ⇔ Cu0.
На аноде будет происходить электрохимическое окисление меди – материала анода, поскольку, отвечающий системе:
Cu0 - 2ē ⇔ Cu2+ (+0,34 В) значительно
ниже 2SO42- + 2ē ⇔ S2O82- (+2,01 В). Ионы SO42-, движущиеся к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве. Таким образом, на аноде будет происходить растворение меди - материал анода, а на катоде – отложение чистой меди.
Уравнения электродных процессов:
А(+): Cu0 - 2ē ⇔ Cu2+
К(-): Cu2+ + 2ē ⇔ Cu0
Суммарное уравнение катодного и анодного процессов будет иметь вид:
2Cu0 + Cu2+ = Cu2+ + Cu0
анод катод
Таким образом, при электролизе CuSO4 на катоде будет наблюдаться выделение чистой меди, на аноде - растворение медного электрода (медь анода будет переходить в раствор в виде ионов Cu2+). Значит, nкатод(Cu) = nанод(Cu)
Тогда
nкатод(Cu) = nанод(Cu) = m(Cu)/M(Cu) = 3,2/64 = 0,05 моль.
Ответ: 0б5 моль.
Расчет массы металла и объема газа, выделившихся при электролизе раствора соли
Задача 201.
Через растворы NiSO4 и Pb(NO3)2 пропускали одно и то же количество электричества. На одном из катодов выделилось 25,9 г свинца. Сколько граммов никеля выделилось на другом катоде? Какой газ и в каком объеме, измеренном при нормальных условиях, выделился на каждом из электродов?
Решение:
М(Ni) = 58,6934 г/моль;
M(Pb) = 207,2 г/моль;
m(Pb) = 25,9 г;
m(Ni) = ?
V(H2) = ?
V(O2) = ?
Для никеля и свинца, как металлов со средней химической активностью, расположенных в ряду активности после алюминия, на катоде происходят одновременно две
реакции – образование водорода и выделение металла.
Так как NiSO4 и Pb(NO3)2 являются кислородсодержащими кислотами, то на аноде будет происходить окисление воды с выделением кислорода.
Схемы электродных процессов электролиза водных растворов солей NiSO4 и Pb(NO3)2 выглядят следующим образом:
a) NiSO4 = Ni2+ + SO42-
К(+): Ni2+ + 2ē = Ni0
2Н2О + 2ē = Н2↑ + 2ОН-
А(-): 2Н2О - 4ē = О2↑ + 4Н+
Суммарное ионно-молекулярное уравнение:
Ni2+ + 4Н2О = Ni0 + Н2↑ + 2ОН- + О2↑ + 4Н+.
После приведения членов, получим:
Ni2+ + 2Н2О = Ni0 + Н2↑ + О2↑ + 2Н+.
Суммарное молекулярное уравнение:
N12SO4 + 2H2O = Ni + Н2↑ + О2↑ + H2SO4
б) Pb(NO3)2 = Рb2+ + 2NO3-
К(+): Pb2+ + 2ē = Pb0
2Н2О + 2ē = Н2↑ + 2ОН-
А(-): 2Н2О - 4ē = О2↑ + 4Н+
Суммарное ионно-молекулярное уравнение:
Pb2+ + 4Н2О = Pb0 + Н2↑ + 2ОН- + О2↑ + 4Н+.
После приведения членов, получим:
Pb2+ + 2Н2О = Pb0 + Н2↑ + О2↑ + 2Н+.
Суммарное молекулярное уравнение:
Pb2SO4 + 2H2O = Pb + Н2↑ + О2↑ + 2HNO3
Из суммарных уравнений процессов электролизов солей вытекает, что при электролизе водных растворов NiSO4 и Pb(NO3)2 при пропускании через их растворы одного и того же количества электричества, на катодах будет выделяется метал и водород, на анодах - кислород, в равных количествах.
Тогда
n(Pb) = n(Ni) = n(H2) = n(O2)
n(Pb) = m(Pb)/M(Pb) = 25,9/207,2 = 0,125 моль.
Отсюда
m(Ni) = n(Ni) • M(Ni) = 0,125 • 58,6934 = 7,3 г.
V(H2) = n(H2) • Vm = 0,125 • 22,4 = 2,8 л.
V(O2) = V(H2) = 2,8 л.
Ответ: m(Ni) = 7,3 г; V(H2) = 2,8 л; V(O2) = 2,8 л.
Электролиз раствора гидроксида натрия
Задача 202.
При электролизе водного раствора NaOH, через Pt-электроды пропустили ток, силой 3 А. Напишите уравнения электродных реакций. Рассчитайте объемы газов, выделившихся на электродах за 3 часа (н. у.).
Решение:
Электродные процессы:
на катоде: 2|2Н2О + 2ē = Н2↑ + 2ОН−;
на аноде: 1|2Н2О - 4ē = О2↑ + 4Н+.
Суммарное уравнение процесса получим, умножив уравнение на катоде на два и, сложив его с анодным уравнением:
6Н2О = 2Н2↑ + 4ОН− + О2↑ + 4Н+.
у катода у анода
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;
VЭ – эквивалентный объём газа, л/моль;
МЭ(В) – масса эквивалента вещества, г/моль;
I – сила тока, А;
t – время, с;
F – число Фарадея, 96500 Кл/моль.
Тогда
V(H2) = 11,2•3•10800/96500 = 3,76 л;
V(О2) = 5,6•3•10800/96500 = 1,88 л.
Ответ: V(H2) = 3,76 л; V(О2) = 1,88 л.
Электролиз раствора сульфата цинка
Задача 203.
Какие реакции протекают на электродах при электролизе раствора сульфата цинка: а) с графитовым анодом; б) с цинковым анодом.
Решение:
а) электролиз раствора сульфата цинка с графитовым анодом
1-й вариант электролиза раствора сульфата цинка с графитовым анодом
Для цинка, как металла со средней химической активностью, расположенного в ряду активности после алюминия, на катоде происходят одновременно две
реакции – образование водорода и выделение металла.
Так как ZnSO4 является кислородсодержащей кислотой, то на аноде будет происходить окисление воды с выделением кислорода.
Схемы электродных процессов электролиза раствора ZnSO4 выглядят следующим образом:
ZnSO4 = Zn2+ + SO42- (диссоциация соли)
К(-): 1|Zn2+ + 2ē = Zn0
1|2Н2О + 2ē = Н2↑ + 2ОН-
А(+): 1|2Н2О - 4ē = О2↑ + 4Н+
Суммарное ионно-молекулярное уравнение:
Zn2+ + 4Н2О = Zn0 + Н2↑ + 2ОН- + О2↑ + 4Н+.
После приведения членов, получим:
Zn2+ + 2Н2О = Zn0 + Н2↑ + О2↑ + 2Н+.
Суммарное молекулярное уравнение:
ZnSO4 + 2H2O = Zn + Н2↑ + О2↑ + H2SO4
у катода у анода
Таким образом, при электролизе раствора сульфата цинка с угольным электродом на катоде будет наблюдаться выделение газообразного водорода и металлического цинка, а на аноде будет наблюдаться выделение газообразного кислорода.
Выводы:
1) В случае электролиза водного раствора ZnSO4 одновременно протекают два процесса:
ZnSO4 = Zn2+ + SO42-
ZnSO4 + 2H2O = Zn + Н2↑ + О2↑ + H2SO4
2-й вариант электролиза раствора сульфата цинка с графитовым анодом
Рассмотрим альтернативное протекание электролиза водного раствора ZnSO4.
Замечено, что в растворе есть гидроксид-ионы (ОН-), но в предыдущей записи электродных процессов для них нет противоионов. Следовательно, нужно добавить в раствор (Zn2+). Так как удвоилось количество ионов цинка, необходимо удвоить и количество сульфат-ионов:
К(-): Zn2+ + 2ē = Zn0
2Н2О + 2ē = Н2↑ + 2ОН-
Zn2+ (в растворе)
А(+): 2Н2О - 4ē = О2↑ + 4Н+
2SO42- (в растворе)
Складываем левые и правые части катодных и анодных процессов получим суммарное ионно-молекулярное уравнение:
Zn2+ + 2H2O + Zn2+ + + 2H2O + 2SO42- = Zn0 + Zn2++ Н2↑ + + 2ОН- + О2↑ + 2SO42- + 4Н+.
Соединяем катионы и анионы и записываем итоговое уравнение электролиза, получим:
2ZnSO4 + 4H2O = Zn + Zn(OH)2 + Н2↑ + О2↑ + 2H2SO4
у катода у анода
Выводы:
1) В случае электролиза водного раствора ZnSO4 одновременно протекают два процесса:
ZnSO4 = Zn2+ + SO42-
2ZnSO4 + 4H2O = Zn + Zn(OH)2 + Н2↑ + О2↑ + 2H2SO4
у катода у анода
Таким образом, при электролизе раствора сульфата цинка с угольным электродом на катоде будет наблюдаться выделение газообразного водорода, металлического цинка и гидроксида цинка, а на аноде будет наблюдаться выделение газообразного кислорода.
б) электролиз раствора сульфата цинка с цинковым анодом
На катоде так же как и при электролизе раствора ZnSO4 с угольным электродом происходят одновременно две реакции – образование водорода и выделение металла, а ионы цинка Zn2+, приходящие к катоду, будут накапливаться в прилегающей к нему части раствора (катодное пространство).
На аноде будет происходить электрохимическое окисление цинка – материала анода, поскольку, отвечающий системе: Zn0 + 2ē ⇔ Zn2+ (-0,76 В) значительно ниже системы:
S2O82-+2ē =2SO42- (+2,01 В).
Сульфат-ионы, движущиеся к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве.
Таким образом, на аноде будет происходить растворение цинка - материал анода, а на катоде – выделение газообразного водорода и малорастворимого соединения Zn(OH)2 [Zn2+ + 2OH- = Zn(OH)2].
Уравнения электродных процессов:
К(-): 1|Zn2+ + 2ē = Zn0
1|2Н2О + 2ē = Н2↑ + 2ОН-
A(+): 2|Zn0 - 2ē = Zn2+
Суммарное ионно-молекулярное уравнение:
Zn2+ + 2H2O + 2Zn0 = Zn0 + Н2↑ + 2OH- + Zn2+
у катода у анода
После приведения равенства, получим:
2H2O + Zn0 = Н2↑ + 2OH- + Zn2+ (ионно-молекулярная форма);
2H2O + Zn0 = Н2↑ + Zn(ОН2 (молекулярная форма).
Таким образом, при электролизе ZnSO4 с цинковым анодом на катоде будет наблюдаться выделение газообразного водорода и в осадок выпадает гидроксид цинка, на аноде будет происходить растворение материала анода (цинк).
