Вычислние времени, в течение которого происходит электролиз раствора соли
Электролиз раствора хлорида хрома
Задача 434.
Составьте схему процессов, происходящих на электродах, при электролизе водного раствора Х. 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 CrCl3, катод-угольный и анод-хромовый, I = 3,0 А, m = 2,0 г.
Решение:
mЭ(Cr3+) = M/3 = 52/3 = 17,33 г/моль;
Х = CrCl3;
I = 3,0 A;
m = 2,0 Ag
Найти:
t = ?
Решение:
Так как хромовый анод растворим в условиях электролиза соли CrCl3, то на аноде происходит окисление материала анода. Поэтому при электролизе CrCl3 с использованием хромового анода на катоде будет выделяться чистый хром и водород, а на аноде ионы хрома не будут разряжаться, и, следовательно, выделение хлора не наблюдается (в анодном пространстве будут накапливаться ионы хлора Cl-. В данном случае происходит растворение самого кадмиевого анода, т.е. с анода хром в виде ионов Cr3+ переходит в раствор.
Электродные процессы на электродах:
3|Катод(-): Cr3+ + 3ē = Cr0;
2H2O + 2ē = H2↑ + 2OH–;
5|Анод(+): Cr0 – 3ē = Cr3+
Уравнение электролиза в ионно-молекулярном виде:
3Cr3+ + 6H2O + 5Cr0 = 3Cr0 + 5Cr3+ + 3H2↑ + 6OH–
После приведения членов в обеих частях равенства получим:
2Cr0 + 6H2O = 2Cr3+ + 3H2↑ + 6OH-
Ионы хрома Cr3+ у анода будут соединяться с ионами ОН-, образуя малорастворимое основание Cr(OH)3:
Cr3+ + 3OH– = Cr(OH)3
Суммарная реакция электролиза в молекулярной форме:
2Cr0 + 6H2O = 3H2↑ + 2Cr(OH)3.
Вывод:
Электролиз CrCl3 с использованием хромового анода сводится к переносу хрома с анода на катод. Таким образом, если масса катода увеличилась на некоторое количество, то на аноде такое же количество хрома перешло в раствор.
Согласно первому закону Фарадея: масса вещества, выделившегося при электролизе, прямо пропорциональна количеству электрического тока, пропущенного через электролит. Расчет времени электролиза соли будем вести из формулы:
m(B) = [mЭ(B) . I . t]/F, где
m(B) - масса, выделившегося металла, г;
mЭ(B) - зквивалентная масса металла, г/моль;
F – постоянная Фарадея (96500 Кл/моль);
I - сила тога, А;
t - время электролиза, с.
Тогда
t = [m(B) . F]/[mЭ(B) . I] =
= (2,0 . 96500)/(17,3 . 3,0) ≈ 3711,5 с ≈ 61,86 мин.
Ответ: 61,86 мин.
Задача 435.
Составьте схему процессов, происходящих на электродах, при электролизе водного раствора Х. 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 AgNO3, катод-угольный и анод-серебряный, I = 6,0 А, m = 15,8г.
Решение:
mЭ(Ag) = M/1 = 107,868/1 = 107,868 г/моль ≈ 108 г/моль;
Х = AgNO3;
I = 6 A;
m = 15,8 Ag
Найти:
t = ?
Решение:
Нитрат меди AgNO3 в водном растворе будет диссоциировать по схеме:
AgNO3 = Ag+ + NO3-.
Серебро в ряду напряжений металлов стоит после водорода, то на катоде идет процесс восстановления катионов меди Ag+.
Тогда
Ag+ + 1e ⇔ Ag0.
При электролизе AgNO3 как соли кислородсодержащей кислоты (HNO3) на аноде будет происходить окисление воды, а не иона NO3-.
Тогда
2H2O - 4e ⇔ O2↑ + 4OH-.
Запишем электродные процессы на электродах при электролизе нитрата серебра:
на катоде (-): 4|Ag+ + 1e ⇔ Ag0
на аноде (+): 1|2H2O - 4е ⇔ O2↑ + 4Н+.
Суммарное уравнение катодного и анодного процессов будет иметь вид:
2H2O + 4Ag+ ⇔ О2↑ + 4Н+ + 4Ag0 (ионно-молекулярная форма);
анод катод
4AgNO3 + 2H2O → 4HNO3 + O2↑ + 4Ag (молекулярная форма).
Таким образом, при электролизе раствора нитрата серебра на аноде будет наблюдаться выделение газообразного кислорода, и в анодном же пространстве будет накапливаться нитрат-ионы, которые с ионами водорода создают кислую среду, будет накапливаться азотная кислота (H+ + NO3- = HNO3); на катоде будет откладываться металлическое серебро.
Согласно первому закону Фарадея: масса вещества, выделившегося при электролизе, прямо пропорциональна количеству электрического тока, пропущенного через электролит. Расчет времени электролиза соли будем вести из формулы:
m(B) = [mЭ(B) . I . t]/F, где
m(B) - масса, выделившегося металла, г;
mЭ(B) - зквивалентная масса металла, г/моль;
F – постоянная Фарадея (96500 Кл/моль);
I - сила тога, А;
t - время электролиза, с.
Тогда
t = [m(B) . F]/[mЭ(B) . I] =
= (15,8 . 96500)/(108 . 6) ≈ 2353 с ≈ 39,2 мин.
Ответ: 39,2 мин.
Задача 436.
Составьте схему процессов, происходящих на электродах, при электролизе водного раствора Х. 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).
Дано:
mЭ(Cu) = M/2 = 63,54/2 = 31,77 г/моль ≈ 32 г/моль;
Х = Cu(NO3)2;
I = 6 A;
m = 3,2 Cu
Найти:
t = ?
Решение:
Нитрат меди Cu(NO3)2 в водном растворе будет диссоциировать по схеме:
Cu(NO3)2 = Cu2+ + 2NO3-.
Медь в ряду напряжений металлов стоит после водорода, , то на катоде идет процесс восстановления катионов меди Cu2+.
Тогда
Cu2+ + 2e ⇔ Cu0.
При электролизе Cu(NO3)2 как соли кислородсодержащей кислоты (HNO3) на угольном аноде будет происходить окисление воды, а не иона NO3-.
Тогда
2H2O - 4e ⇔ O2↑ + 4OH-.
Запишем электродные процессы на угольных электродах при электролизе нитрата меди:
на катоде (-): 2|4|Cu2+ + 2e ⇔ Cu0
на аноде (+): 1|2|2H2O - 4е ⇔ O2↑ + 4Н+.
Суммарное уравнение катодного и анодного процессов будет иметь вид:
2H2O + 2Cu2+ ⇔ О2↑ + 4Н+ + 2Cu0 (ионно-молекулярная форма);
анод катод
2Cu(NO3)2 + 2H2O → 4HNO3 + O2↑ + 2Cu (молекулярная форма).
Таким образом, при электролизе раствора нитрата меди с угольным анодом на аноде будет наблюдаться выделение газообразного кислорода, и в анодном же пространстве будет накапливаться нитрат-ионы, которые с ионами водорода создают кислую среду, будет накапливаться азотная кислота (H+ + NO3- = HNO3); на угольном катоде будет откладываться металлическая медь.
Согласно первому закону Фарадея: масса вещества, выделившегося при электролизе, прямо пропорциональна количеству электрического тока, пропущенного через электролит. Расчет времени электролиза соли будем вести из формулы:
m(B) = [mЭ(B) . I . t]/F, где
m(B) - масса, выделившегося металла, г;
mЭ(B) - зквивалентная масса металла, г/моль;
F – постоянная Фарадея (96500 Кл/моль);
I - сила тога, А;
t - время электролиза, с.
Тогда
t = [m(B) . F]/[mЭ(B) . I] =
= (3,2 . 96500)/(32 . 6) ≈ 1608 с ≈ 26,8 мин.
Ответ: 26,8 мин.
Электролиз раствора сульфата натрия
Задача 437.
В электролизер налить 5% раствор сульфата натрия, опустить в оба колена угольные (графитовые) электроды. Прибавить в оба колена сосуда 3-4 капли раствора финалфталеина и пропускать ток в течение 5-10 минут. Как изменится окраска раствора на катодном и анодном участках? Какие газы выделяются на электродах? Напишите уравнения электродных процессов.
Решение:
Сульфат натрия в водном растворе диссоциирует по схеме:
Na2SO4 = 2Na+ + SO42-.
Так как катион электролита Na+ расположен в ряду напряжений в начале ряда по Al включительно, то на катоде идет процесс восстановления воды (выделяется водород Н2↑). Катионы Na+ не восстанавливаются, они остаются в растворе.
Тогда
2H2O + 2е = H2↑ + 2ОH-.
Так как анод угольный, т.е. нерастворимый электрод, то в найтральной среде на нем будет идти окисление воды (выделяется кислород О2, потому что ион SO42- является кислотным остатком кислородсодержащей серной кислоты.
Тогда
2H2O - 4е ⇔ O2↑ + 4Н+.
Запишем электродные процессы на угольных электрдах при электролизе сульфата натрия:
К(-): 2|4|2H2O + 2е = H2↑ + 2ОH-;
А(+): 1|2|2H2O - 4е ⇔ O2↑ + 4Н+.
Суммарное ионное уравнение:
4Н2О + 2Н2О = 2H2↑ + 4ОH- + O2↑ + 4Н+.
После приведения членов в обеих равенствах получим суммарное молекулярное уравнение:
2Н2О = 2H2↑ + O2↑.
И так, электролиз водного раствора сульфата натрия сводится к электролизу воды, а количество растворенной соли неизменно.
В прикатодном пространстве накапливаются ионы Na+ и гидроксид-ионы OH−, т.е. образуется щелочь, а около анода среда становится кислой вследствие образования серной кислоты.
Выводы:
1) электролиз водного раствора сульфата натрия сводится к разложению воды;
2) при электролизе водного раствора сульфата натрия на катоде выделяется газообразный водород и на катодном участке окраска раствора изменится с прозрачной до малиновой;
3) при электролизе водного раствора сульфата натрия на аноде выделяется газообразный кислоррод и на анодном участке окраска раствора изменится с прозрачной до оранжевой.
Уравнения реакций, протекающих на электродах при электролизе
Задача 438.
В электролизер налить 10% раствор серной кислоты с добавлением 0,5 М раствора сульфата меди. Опустить в одно колено электролизера угольный электрод, в другое колено медный электрод. Присоединить их к источнику постоянного тока, пропускать ток в течение 5 - 10 минут. Выключить прибор. Что наблюдается на угольном электроде? Поменять полюса на электродах, повторить пропускание тока не больше 3 минут, что наблюдается? Составить уравнения реакций, протекающих на электродах.
Решение:
Сульфат меди в водном растворе диссоциирует на ионы:
CuSO4 = Cu2+ + SO42-.
Серная кислота в водном растворе диссоциирует:
H2SO4 = 2H+ + SO42-.
а) Рассмотрим вариант когда анод угольный электрод, а катод - медный
Так как катион электролита Cu2+ расположен в ряду напряжений после водорода (2Н+), то на катоде идет процесс восстановления ионов меди Cu2+.
Тогда
Cu2+ + 2e ⇔ Cu0.
При электролизе CuSO4 с угольным анодом будут происходить следующие процессы (стандартный электродный потенциал систем: 2H2O - 4e ⇔ O2↑ + 4OH- и
2SO42- + 2e ⇔ S2O82-, соответственно, равны 1,23 В и 2,01 В), то все равно в кислой и нейтральной среде будет происходить окисление воды, а не иона SO42- - кислотного остатка кислородсодержащей серной кислоты:
H2O - 4е ⇔ O2↑ + 4Н+.
Запишем электродные процессы на угольных электрдах при электролизе сульфата меди:
на катоде: 2|4|Cu2+ + 2e ⇔ Cu0
на аноде: 1|2|2H2O - 4е ⇔ O2↑ + 4Н+.
Суммарное уравнение катодного и анодного процессов будет иметь вид:
2H2O + 2Cu2+ ⇔ О2↑ + 4Н+ + 2Cu (ионно-молекулярная форма);
анод катод
2CuSO4 + 2H2O → 2H2SO4 + O2↑ + 2Cu (молекулярная форма).
Таким образом, при электролизе раствора сульфата меди с угольным анодом на аноде будет наблюдаться выделение газообразного кислорода, и в анодном же пространстве будет накапливаться сульфат-ионы, которые с ионами водорода создают кислую среду, будет накапливаться серная кислота (2H+ + SO42- = H2SO4); на медном катоде будет откладываться металлическая медь.
б) Рассмотрим вариант когда анод медный электрод, а катод -угольный
Стандартный электродный потенциал системы Cu2+ + 2е ⇔ Cu0 (+0,34 В) значительно положительнее потенциала водородного электрода в кислой среде (-0,00 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление ионов меди:
Cu2+ + 2е ⇔ Cu0.
На аноде будет происходить электрохимическое окисление меди – материала анода, поскольку, отвечающий системе
Cu2+ - 2е ⇔ Cu0 (+0,34В) значительно ниже 2SO42- + 2е ⇔ 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 – откладываться металлическая медь. В анодном пространстае будет накапливаться сульфат меди, а в катодном пространстве ионы меди, соединяясь с гидроксид-ионами, образуют малорастворимое соединение Cu(OH)2.
Уравнения электродных процессов:
К(-): Cu2+ + 2e ⇔ Cu0
А(+): Cu0 - 2e ⇔ Cu2+
Суммарное уравнение катодного и анодного процессов будет иметь вид:
2Cu0 + Cu2+ = Cu2+ + Cu0
анод катод
Таким образом, при электролизе CuSO4 с медным анодом на угольном катоде будет наблюдаться откладывание металлической меди, а на аноде будет происходить растворение материала анода (медь).
