Приклад 3. Електроліз розчину сульфату калію K2 SO4.
У водному розчині сульфату калію містяться іони K +. , Що утворюються при дисоціації солі і іони Н + і ОН - з води.
Так як іони K + розряджаються важче, ніж іони Н +. а іони, ніж іони ОН -. то при пропущенні електричного струму у катода будуть розряджатися іони водню з води. у анода - гідроксильні групи з води, тобто, фактично, буде відбуватися електроліз води.
Сумарне рівняння процесу матиме вигляд:
У той же час, внаслідок розряду водневих і гідроксильних іонів води і безперервного переміщення іонів K + до катода, а іонів до анода, у катода утворюється розчин лугу (КОН), а у анода - розчин сірчаної кислоти.
Приклад 4. Електроліз розчину сульфату міді з розчинною (активним) мідним анодом.
Особливим чином протікає електроліз з розчинними електродами. В цьому випадку анод виготовлений з того ж металу, сіль якого знаходиться в розчині. При цьому ніякі іони з розчину у анода нерозряджаються, а відбувається окислення матеріалу самого анода. тобто сам анод поступово розчиняється, посилаючи в розчин іони і віддаючи електрони джерела струму.
Утворені на аноді катіони міді переміщуються в розчині солі до катода. Процес відновлення зводиться до виділення міді на катоді:
Кількість солі CuSO4 в розчині залишається незмінним.
Таким чином, при здійсненні процесу електролізу з розчинними електродами має місце перенесення матеріалу електрода (в нашому випадку міді) з анода на катод.
Кількісні співвідношення при електролізі
Кількісні розрахунки процесів електролізу здійснюються на підставі законів М. Фарадея.
Перший закон Фарадея.
Маса речовини, що виділяється на електроді під час електролізу, пропорційна кількості пройшов через розчин електрики.
де m - маса відновленого або окисленого речовини (г); k - коефіцієнт пропорційності (електрохімічний еквівалент) (г / Кл); Q - кількість електрики, що пройшов через електроліт (Кл).
Нагадаємо, що кулон (Кл) - кількість електрики, що проходить по провіднику при силі струму 1 ампер (А) за час 1 с.
Кількість електрики Q розраховується як добуток сили струму I в амперах на час t в секундах.
Електрохімічний еквівалент (k) являє собою масу речовини, яка відновлюється на катоді або окислюється на аноді при проходженні через розчин 1 Кл електрики. Величину електрохімічного еквівалента можна розрахувати за формулою:
де Mекв. - молярна маса еквівалента цієї речовини (г / моль); F - постійна Фарадея.
Постійна Фарадея являє собою кількість електрики, необхідне для виділення з розчину 1 моль еквівалентів речовини (F = 96500 Кл / моль). Це кількість електрики дорівнює заряду 1 моль (6,02 ∙ 10 23) електронів.
Молярна маса еквівалента для елемента, в свою чергу, може бути знайдена як частка від ділення молярної маси елемента на його валентність:
Mекв (Ag) = = = = 108 г / моль,
Mекв (Ag) = = = = 108 г / моль,
Mекв (Cu) = = = = 32 г / моль,
Mекв (Al) = = = = 9 г / моль.
При пропущенні 96500 Кл електрики на катоді виділиться, відповідно, 108 г срібла, 32 г міді або 9 г алюмінію.
Таким чином, при кількісних розрахунках процесу електролізу можна користуватися такими формулами:
Другий закон Фарадея.
Маси окислюються і відновлюються на електродах речовин, при пропущенні через розчин одного і того ж кількості електрики, пропорційні молярним масам їх еквівалентів.
Корисно мати на увазі, що якщо для розряду одного однозарядного іона (наприклад, Na +. Cl -) потрібно 1 електрон, то для виділення з розчину електроліту 1 моль таких же іонів, потрібно число електронів, яка дорівнює кількості Авогадро - 6,02 · +1023 (1 моль електронів). Це кількість електронів якраз і має загальний заряд, рівний 96500 Кл. Відповідно, для розряду 1 моль двозарядних іонів, буде потрібно 2 моль електронів, або кількість електрики, що дорівнює 2 · 96500 Кл і т.д.
Використовуючи вищенаведені формули, можна виробляти ряд розрахунків, пов'язаних з процесом електролізу, наприклад:
знаходити силу струму за кількістю виділився речовини і часу, витраченому на його виділення;
встановлювати, скільки часу буде потрібно для виділення певної кількості речовини при заданій силі струму.
Практичне застосування електролізу
Електрохімічні процеси широко застосовуються в різних областях сучасної техніки і технології. З використанням елект-Роліз в промислових масштабах отримують хлор і фтор, щело- чи, хлорати і перхлорати, хімічно чисті водень і кисень і т.д.
У кольоровій металургії електроліз використовується для вилучення металів з руд. Електролізом розплавлених середовищ отримують алюміній, магній, титан, цирконій, уран, берилій та інші метали. Для очищення металів використовують електрохімічне рафінування. Для рафінування (очищення) металу електролізом з нього відливають пластини і поміщають їх в якості анодів в електролізер. При пропущенні струму метал, що підлягає очищенню, піддається анодному розчиненню, тобто переходить в розчин у вигляді катіонів. Потім ці катіони металу розряджаються на катоді. завдяки чому утворюється осад чистого металу. Домішки, що знаходяться в аноді, або залишаються нерозчинними (випадають у вигляді анодного шламу), або переходять в розчин електроліту і видаляються.
Гальванотехніка - область прикладної електрохімії, що займається процесами нанесення металевих покриттів на поверхню як металевих, так і неметалевих виробів при проходженні постійного електричного струму через розчини їх солей. Особливо необхідно відзначити значення гальванічних покриттів в високих технологіях (HiTec) таких, як Мікроструктурна техніка, електроніка та інші. Гальванотехніка підрозділяється на гальваностегію і гальванопластику.
Гальваностегія (від грец. Покривати) - це електроосадження на поверхню металу іншого металу, який міцно зв'язується з покриваються металом (або спеціально оброблених неметаллическим предметом), службовцям катодом електролізера. Покриття виробів цинком, кадмієм, нікелем, хромом, золотом та іншими металами надає виробам не тільки гарний зовнішній вигляд, але і оберігає метал від корозійного руйнування.
Гальванопластика - отримання шляхом електролізу точних, легко відокремлюваних металевих копій (матриць) з різних як неметалічних, так і металевих рельєфних предметів. За допомогою гальванопластики виготовляють погруддя, статуї і т. Д.
Крім того, за допомогою електролізу:
отримують захисні і декоративні оксидні плівки на поверхні металів (анодування),
здійснюють електрохімічний розмірну обробку металу (електрохімічне фрезерування),
проводять обробку поверхні металевого виробу (електрохімічне полірування),
здійснюють електрохімічне фарбування металів, проводять електрохімічний заточку ріжучих інструментів (наприклад, хірургічних ножів, бритв і т. Д.),
наносять металеві покриття на зношені металеві покриття для ремонтних цілей,
наносять емалеві покриття порошково-електростатичним методом.
12.1. ПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ
1. Що таке електроліз?
2. Які процеси мають місце при електролізі?
3. Як влаштований електролізер?
4. Який заряд мають при електролізі а) анод, б) катод?
5. До якого електроду рухаються при електролізі катіони?
6. Як заряджений електрод, до якого рухаються при електролізі аніони?
7. Який процес протікає при електролізі:
а) на аноді, б) на катоді?
8. Які види анодів використовують при електролізі?
9. Який процес протікає при електролізі на розчинній аноді?
10. З яких матеріалів виготовляють інертні (нерозчинні) аноди?
11. Яка послідовність розряду іонів при електролізі на аноді?
12. Яка черговість відновлення катіонів при електролізі на катоді?
13. На підставі якого закону встановлюється залежність маси речовини, що утворився при електролізі. від часу, сили струму і природи електроліту?
14. Наведіть формулювання I закону Фарадея.
15. Наведіть формулювання II закону Фарадея.
16. Яке значення має постійна Фарадея?
17. Що таке електрохімічний еквівалент? Яку розмірність він має?
18. Як розраховується електрохімічний еквівалент для металів?
19. Як можна розрахувати значення молярної маси еквівалента металу?
20. Що таке вихід по струму?
21. Назвіть області застосування електролізу.
12.2. Приклади розв'язання типових задач по темі
Приклад 1. Скільки грамів міді виділиться на катоді при пропущенні через розчин сульфату міді (II) СuSO4 струму силою 5 ампер протягом 10 хвилин?
Визначимо кількість протекшего через розчин електрики:
де I - сила струму в амперах; t - час в секундах.
Q = 5A ∙ 600 с = 3000 А ∙ с = 3000 кулон.
Молярна маса еквівалента міді (молярна маса 64) дорівнює 64: 2 = 32 г / моль. Отже, 96500 кулон виділяють 32 г міді. Шукана кількість міді:
Приклад 2. Скільки часу потрібно пропускати через розчин кислоти струм силою 10 ампер, щоб отримати 5,6 л водню (при н.у.)?
Молярна маса еквівалента водню дорівнює:
Молярна маса водню M (H2) = 2 г / моль. Один моль молекул водню має масу 2 г і займає при н.у. обсяг 22,4 л. Осюда слід, що 1 моль еквівалентів водню, що має масу 1 г, займає при н. у. обсяг 11,2 л. Для виділення з розчину 1 моль еквівалентів необхідно 1 Фарадей електрики (96500 Кл).
Знаходимо кількість електрики, яке повинно пройти через розчин, щоб з нього виділилося 5,6 л водню.
Шукана кількість електрики:
11,2 л - 96500 Кл,
Визначимо час проходження струму:
t = Q / I = 48250/10 = 4825 с = 1 год 20 хв 25 с.
Приклад 3. При пропущенні струму через розчин нітрату срібла на катоді виділилося за 10 хв. 1 г срібла. Визначте силу струму.
Маса 1 моль еквівалентів срібла дорівнює 108 г. Для виділення 1 г срібла через розчин має пройти 96500: 108 894 кулона. Звідси сила струму:
Приклад 4. Знайти молярну масу еквівалента олова, якщо при струмі 2,5 ампера з розчину хлориду олова (II) SnCl2 за 30 хв. виділяється олово масою 2,77 м
Кількість електрики, що пройшов через розчин за 30 хв. дорівнюватиме:
Q = 2,5 ∙ 30 ∙ 60 = 4500 кулонів.
Так як для виділення 1 моль еквівалентів потрібно кількість електрики 96500 кулонів, то молярна маса еквівалента олова:
Мекв. (Sn) = (2,77 ∙ 96500) / 4500 = 59,4 г / моль.
12.2. ЗАВДАННЯ І ВПРАВИ
1. Вкажіть номер, під яким приведена формула речовини виділяється на катоді при електролізі водного розчину хлориду натрію?
2. Під яким номером вказано процес, що протікає на катоді при електролізі водного розчину сульфату натрію?
1) 2H2 Про - 4e O2 + 4H +. 3) Na + + 2e Na 0,
3. З яким полюсом батареї (позитивним або негативним) повинен бути з'єднаний сталевий предмет при його нікелювання? Вкажіть номер правильної відповіді:
1) з негативним,
2) з позитивним.
4. Вкажіть номер або суму умовних номерів. під якими розташовані формули речовин, для яких не можна здійснити процес електролізу розплаву:
5. Водний розчин, що містить суміш нітратів міді, свинцю, срібла, калію, цинку і літію з однаковими концентраціями, піддали електролізу. Вкажіть значення молярної маси речовини. яке буде відновлюватися на катоді в першу чергу.
6. Під яким номером наведена послідовність, відповідно до якої на катоді будуть виділятися метали при електролізі їх водних розчинів, що містять іони Zn 2+. Ag +. Cu 2+ однаковою концентрації?
1) Cu Ag Zn, 2) Cu Zn Ag, 3) Zn Cu Ag, 4) Ag Zn Cu, 5) Ag Cu Zn.
7. Вкажіть номер або суму умовних номерів, під якими розташовані назви речовин. при електролізі водних розчинів яких на катоді виділяється тільки метал.
2) хлорид міді (II),
8) нітрат срібла,
16) сульфід натрію.
8. Вкажіть номер або суму умовних номерів, під якими розташовані назви речовин, при електролізі водних розчинів яких на катоді виділяється тільки водень.
2) хлорид нікелю (II),
4) бромід кальцію,
8) нітрат срібла,
16) йодид натрію.
9. Вкажіть номер або суму умовних номерів, під якими розташовані назви речовин, при електролізі водних розчинів яких на катоді виділяються і водень, і метал:
1) хлорид хрому (III),
2) сульфат міді (II),
8) нітрат срібла,
16) сульфат цинку.
10. Вкажіть номер або суму умовних номерів, під якими розташовані назви речовин, при електролізі водних розчинів яких на аноді виділяється кисень:
1) фторид срібла,
2) хлорид міді (II),
8) нітрат срібла,
16) гідроксид натрію.
11. Вкажіть номер або суму умовних номерів, під якими розташовані назви речовин, при електролізі водних розчинів яких їх масова частка в розчині зменшується:
1) нітрат срібла,
2) хлорид міді (II),
4) сульфат калію,
8) нітрат натрію,
16) фторид калію.
12. Вкажіть номер, під яким приведено назву самого сильного окислювача:
3) концентрована сірчана кислота,
4) електричний струм на аноді при електроліз,
5) електричний струм на катоді при електролізі?
13. Під яким номером вказані формули речовин, що виділяються на електродах при електролізі водного розчину нітрату срібла?
14. Під яким номером вказана формула речовини, що утворюється в розчині після закінчення процесу електролізу розчину хлориду натрію?
1) Na, 2) H2, 3) Cl2, 4) NaOH, 5) NaClO3.
15. Під яким номером вказана забарвлення індикатора метилоранж, яку він матиме в розчині у катода, при електролізі водного розчину йодиду калію?
16. Вкажіть номер або суму умовних номерів, під якими розташовані назви речовин, продукти електролізу яких однакові як для розчинів, так і для розплавів:
1) фторид срібла,
2) хлорид міді (II),
8) хлорид ртуті (II),
16) гідроксид натрію.
17. Вкажіть номер або суму умовних номерів, під якими розташовані назви речовин, при електролізі водних розчинів яких в окисно-відновних процесах на електродах бере участь вода:
1) фторид срібла,
2) бромід міді (II),
8) хлорид ртуті (II,
16) сульфат натрію.
18. Вкажіть номер або суму умовних номерів, під якими розташовані назви речовин, при електролізі водних розчинів яких можна отримати луг:
1) хлорид магнію,
8) хлорид ртуті (II),
16) сульфат натрію.
19. При електролізі водного розчину сульфату міді (II) з мідним анодом маса катода збільшилася на 320 м Яка кількість речовини іонів міді (в молях) перейшло в розчин?
20. Вкажіть номер або суму умовних номерів, під якими розташовані формули солей, при електролізі водних розчинів яких не відбувається виділення металу:
21. Через електролізери з водними розчинами нітрату ртуті (II) і нітрату срібла пропустили однакову кількість електрики. При цьому виділилася ртуть масою 402 р Чому дорівнює маса, в грамах, що виділився срібла?
22. Обчисліть об'єм хлору в літрах (н.у.), який можна отримати при електролізі розплаву хлориду натрію масою 585 г вважаючи, що хлорид натрію витрачено повністю.
23. При електролізі розчину сульфату міді з мідними електродами маса катода збільшилася на 40 м Яка кількість електрики (в кулонах) було пропущено через розчин?
24. Гідроксид калію якої маси (в грамах) утворюється при пропущенні через розчин калійної солі 48250 кулонів електрики?
25. Кадмій якої маси виділився на катоді, якщо через розчин сульфату кадмію пропустили струм силою 3,35 А протягом однієї години? Відповідь округлите до цілого числа і дайте в грамах.
26. Срібло якої маси виділилося на катоді, якщо через розчин нітрату срібла пропустили електричний струм силою 0,67 А протягом 20 годин? Відповідь округлите до цілого числа і дайте в грамах.
27. При електролізі розчину хлориду лужного металу утворилася луг масою 3,06 г і хлор об'ємом 336 мл (н.у.). Визначте значення відносної атомної маси лужного металу.