Задачи к разделу Электролиз солей

В данном разделе представлены задачи по теме Электролиз: составление уравнений электродных реакций, протекающих при электролизе, расчеты с применением законов Фарадея.

Задача 1. Составьте уравнения электродных реакций, протекающих при электролизе с нерастворимыми анодами: а) MgCl2; б) MgCl2 и ZnSO4. Рассчитайте, сколько выделится хлора в литрах (н. у.) при пропускании тока силой 5А в течение 3 ч.

Показать решение »

Решение.

Применим II закон Фарадея

m = ЭIt/F = ЭIt/96500

V = VЭIt/F = VЭIt/96500

 

Переведем часы в секунды: t = 3 ч = 10800 с

Э(Cl2) = ½ = 0,5 моль

VЭ(Cl2) = 22,4∙0,5=11,2 л

V = 11,2∙5∙10800/96500 = 6,3 л.

 

Составим уравнения электродных реакций, протекающих при электролизе:

MgCl2 расплав

К: Mg2+ + 2e → Mg0

A: 2Cl — 2e → Cl20

MgCl2 → Mg + Cl2

 

MgCl2 раствор

К: 2H2O + 2e → H20 + 2OH

A: 2Cl — 2e → Cl20

MgCl2 + 2H2O → H2 + Cl2 + Mg(OH)2

 

MgCl2 и ZnSO4 растворы

К:  2H2O + 2e → H20 + 2OH

Zn2+ + 2e → Zn0

A: 2Cl — 2e → Cl20

2H2O — 4e → O20 + 4H+

MgCl2 + 2ZnSO4 + 4H2O → H2 + O2 + Cl2 + 2Zn + Mg(OH)2 + 2H2SO4

Задача 2. Составьте уравнения электродных реакций, протекающих при электролизе раствора CuSO4 с растворимым медным анодом и нерастворимым графитовым анодом. Рассчитайте, сколько растворится меди на аноде при пропускании тока силой 10 А в течение 3 ч.

Показать решение »

Решение.

Применим II закон Фарадея

m = ЭIt/F = ЭIt/96500

ЭCu = 64/2 = 32 г/моль

m =32∙10∙3∙3600/96500 = 35,8 г

E0(Cu2+/Cu) = 0,34 В

E0(H2O/H+) = -0,41 В

E0(H2O/O2) = 0,82 В

 

Растворимый медный анод:

На катоде возможно восстановление меди и воды. Но потенциал меди имеет более положительное значение, чем потенциал восстановления воды (E0(H2O/H+) = -0,41 В), поэтому на катоде будет восстанавливаться медь. На аноде также возможно окисление меди или воды и, т.к. потенциал меди имеет меди имеет меньшее значение, чем потенциал окисления воды (E0(H2O/O2) = 0,82 В), то на аноде будет окисляться медь:

К: Cu2+ + 2e = Cu0

A: Cu0 – 2e = Cu2+

Cu2+ + Cu0 = Cu0 + Cu2+

 

Инертный нерастворимый анод:

Соль состоит из катиона неактивного металла и аниона кислородсодержащей кислоты. В этом случае на катоде происходит восстановление меди, а на аноде окисление воды:

K: Cu2+ + 2e = Cu

A: 2H2O -4e = O2 + 4H+

2Cu2+ + 2H2O = 2Cu + O2 + 4H+

2CuSO4 + 2H2O = 2Cu + O2 + 2H2SO4

Задача 3.  При электролизе соли трехвалентного металла ток силой в 3 А в течение 2 часов выделил на катоде 4,18 г металла. Определите, какой это металл. Напишите уравнения катодного и анодного процессов, а также суммарное уравнение электролиза расплава и водного раствора карбоната натрия с платиновым анодом.

Показать решение »

Решение.

По закону Фарадея:

m = ЭIt/F = МIt/z96500

М = mz96500/It

Подставим значения

М = 4,18∙3∙96500/(3∙2∙3600) = 56 г/моль

Молярную массу равную 56 г/моль имеет атом железа

M(Fe) = 56 г/моль

 

Напишем уравнения катодного и анодного процессов:

Платиновый анод – инертный, поэтому он не будет участвовать в процессе.

Na2CO3 – соль, образованная катионом активного металла и аниона кислородсодержащей кислоты, поэтому, в случае раствора, в обоих процессах будет участвовать вода:

Na2CO3 Раствор

К:  2H2O + 2e → H20 + 2OH

А:  2H2O — 4e → O20 + 4H+

2H2O → 2H20 + O20

 

Na2CO3 Расплав

К:  Na+ + e → Na0

А 2CO32- 4e— → 2CO2 + O2

2 Na2CO3 → 4Na0 + 2CO2 + O2

Задача 4. При рафинировании меди током 4,5 А за 1,5 часа выделяется 7,5 г меди. Рассчитайте выход по току. Напишите уравнения катодного и анодного процессов, а также суммарное уравнение электролиза водного раствора   Pb(NO3)2: а) с угольным анодом; б) со свинцовым анодом.

Показать решение »

Решение.

Применим закон Фарадея с учетом выхода по току:

Э(Cu) = 64/2 = 32 г/моль

t = mFтЭI

Вт = mF/I

Вт = 7,5∙96500/1,5∙3600∙32∙4,5 = 0,93 (93%)

 

Составим уравнения катодного и анодного процессов, а также суммарное уравнение электролиза водного раствора Pb(NO3)2:

Pb(NO3)2 — соль, образованная катионом неактивного металла и аниона кислородсодержащей кислоты, поэтому

а) с угольным анодом

К:  Pb2+ + 2e → Pb0

А:  2H2O — 4e → O20 + 4H+

2Pb2+ + 2H2O  → 2Pb0 + O20 + 4H+

Pb(NO3)2+ 2H2O  → 2Pb0 + O20 + 4HNO3

В прикатодном пространстве накапливается азотная кислота.

 

б) со свинцовым анодом

К:  Pb2+ + 2e → Pb0

А:  Pb0 — 2e → Pb2+

Pb2+ + Pb0 → Pb0 + Pb2+

Задача 5. Найдите объем водорода, который выделится при пропускании тока силой в 5 А в течение 3,5 ч через водный раствор серной кислоты. Напишите уравнения анодного и катодного процессов, а также суммарное уравнение электролиза раствора Н24 с инертным анодом.

Показать решение »

Решение.

Применим II закон Фарадея

V = VЭIt/F = VЭIt/96500

VЭ (H2) = 11,2 л

V = 11,2∙5∙3,5∙3600/96500 = 7,3 л

 

Напишим уравнения анодного и катодного процессов, а также суммарное уравнение электролиза раствора Н24 с инертным анодом:

К:  2H+ + 2e → H20

А:  2H2O — 4e → O20 + 4H+

4H+ + 2H2O  → H20 + O20 + 4H+

2H2O  → H20 + O20

 

Таким образом, при электролизе серной кислоты с инертными анодами происходит разложение воды.

Задача 6. При электролизе одного из соединений олова ток силой в 2,5А за 20 мин выделил на электродах металл массой 0,9 г. Чему равна валентность олова в этом соединении. Какие продукты могут быть получены при электролизе раствора SnSO4 с графитовыми электродами.

Показать решение »

Решение.

По закону Фарадея:

m = ЭIt/F = МIt/z96500

z = МIt/m96500

М(Sn) = 118,6 г/моль

z = 118,6∙2,5∙20∙60/0,9∙96500 = 4

Следовательно, валентность олова z = 4

 

SnSO4 — соль, образованная катионом неактивного металла и аниона кислородсодержащей кислоты, поэтому в процессе будут участвовать Sn и H2O.

Электроды инертные, поэтому в процессах участия не принимают:

К:  Sn2+ + 2e → Sn0

А:  2H2O — 4e → O20 + 4H+

2Sn2+ + 2H2O  → 2Sn0 + O20 + 4H+

SnSO4 + + 2H2O  → 2Sn0 + O20 + 2H2SO4

В прикатодном пространстве накапливается серная кислота.

Задача 7. Сколько времени потребуется на электролиз раствора KCl при силе тока 5 А, чтобы выделить хлор объемом 11,2 л (н.у.), если выход по току составляет 90%? Напишите уравнения анодного и катодного процессов, а также суммарное уравнение электролиза.

Показать решение »

Решение

Применим закон Фарадея, учитывая при этом выход по току:

t = VFn/(ВтVmI)

n = 2

t =11,2∙96500∙2/(0,9∙22,4∙5∙3600) = 5,95 ч

 

KCl соль, образованная катионом активного металла и аниона бескислородной кислоты, поэтому в катодном процессе участвует вода, а в анодном – хлор:

К:  2H2O + 2e → H20 + 2OH

А:  2Cl — 2e → Cl20

2H2O + 2Cl → H20 + Cl20 + 2OH

KCl + 2H2O → H20 + Cl20 + 2KOH