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.
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.
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.
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.
Решение.
Применим закон Фарадея с учетом выхода по току:
Э(Cu) = 64/2 = 32 г/моль
t = mF/ВтЭI
Вт = mF/tЭI
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 Н2SО4 с инертным анодом.
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 Н2SО4 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.
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.
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
