Примеры решения задач. Пример 13.1. Сколько граммов никеля выделится на катоде при пропускании через раствор сернокислого никеля NiSO4 тока силой 5 А в течение 10 мин?

Пример 13.1. Сколько граммов никеля выделится на катоде при пропускании через раствор сернокислого никеля NiSO₄ тока силой 5 А в течение 10 мин? Привести схемы электродных процессов, протекающих при электролизе с инертным анодом. Определить продукты электролиза.

Решение. В водном растворе сульфат никеля (II) диссоциирует: NiSO₄ = Ni²⁺ + SO₄^2–. Стандартный электродный потенциал никеля (–0,250 В) выше значения потенциала восстановления ионов водорода из воды (–0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить разряд ионов Ni²⁺ и выделение металлического никеля. При электролизе сернокислых солей на инертном аноде происходит электрохимическое окисление воды с выделением кислорода.

Катод (−) Ni²⁺, Н₂О Анод (+) SO₄^2–, Н₂О

На катоде: Ni²⁺ + 2ē = Ni На аноде: 2Н₂О – 4ē = 4Н⁺ + О₂

Продукты электролиза – Ni и О₂,

У анода: 4Н⁺ + 2SO₄^2– = 2Н₂SO₄

Масса вещества, выделившегося на электроде при электролизе, определяется по законам Фарадея, математическое выражение которых имеет вид:

m = , (1)

где m – масса вещества, выделившегося на электроде, г; М _эк – молярная масса эквивалентов этого вещества, г/моль; Q – количество электричества, прошедшего через электролит, Кл; F – постоянная Фарадея, равная 96500 Кл/моль∙экв.

Q = I ∙ t, где I – сила тока, А; t – время, электролиза, с. Подставляя в формулу (1) вместо Q его значение, получаем m

Молярная масса эквивалентов никеля (молярная масса атомов никеля – 58,71 г/моль) равняется 58,71 / 2 = 29,36 г/моль. Подставляя это значение, а также силу тока и время электролиза (в секундах) в формулу m , получаем искомую массу никеля: m = (29,36 × 5 × 600) / 96500 = 0,91 г.

Пример 13.2. Сколько времени нужно пропускать через раствор кислоты ток силой 10 А, чтобы получить 5,6 л водорода (при н.у.)?

Решение. Продукт электролиза представляет собой газообразное вещество, поэтому для решения воспользуемся уравнением V _газа .

Так как 1 моль эквивалентов водорода занимает при нормальных условиях объем 11,2 л, то искомое количество времени прохождения тока: t = 4825 c =1ч 20мин 25с.

Пример 13.3. При проведении электролиза водного раствора хлорида двухвалентного металла затрачено 3561 Кл электричества. В результате процесса на катоде выделилось 2,19 г этого металла. Определить металл, водный раствор хлорида которого подвергли электролизу. Привести схему электродных процессов. Определить продукты электролиза.

Решение. Находим молярную массу эквивалентов металла: М_эк = 59,347 г/моль. Умножая эту величину на 2 (валентность металла) получаем 118,69 г/моль, что соответствует молярной массе атомов олова. Следовательно, электролизу подвергли раствор SnCl₂. В водном растворе хлорид олова (II) диссоциирует: SnС1₂ = Sn²⁺ + 2С1^–. Стандартный электродный потенциал олова (II) (–0,136 В) существенно выше значения потенциала восстановления ионов водорода из воды (–0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить разряд ионов Sn²⁺ и выделение металлического олова. На аноде будут окисляться анионы хлора.

Катод (−) Sn²⁺, Н₂О Анод (+) С1^–, Н₂О

Катодный процесс: Sn²⁺ + 2ē = Sn Анодный процесс: 2С1^– –2ē = С1₂

Продукты электролиза – Sn и С1₂.

Пример 13.4. При электролизе раствора CuSO₄ на угольном аноде выделилось 350 мл кислорода при нормальных условиях. Сколько граммов меди выделилось на катоде? Привести уравнения электродных процессов, определить продукты электролиза.

Решение. В водном растворе сульфат меди (II) диссоциирует по схеме: CuSO₄ = Cu²⁺ + SO₄²⁻. Электродный потенциал меди (+0,337 В) значительно больше потенциала восстановления ионов водорода из воды (–0,41 В). Поэтому на катоде происходит процесс восстановления ионов Cu²⁺. При электролизе водных растворов сульфат-анионы не окисляются на аноде. На нем происходит окисление воды.

Катод () − Cu²⁺, Н₂О Анод (+) SO₄^2–, Н₂О

На катоде: Cu²⁺ + 2ē = Сu На аноде: 2Н₂О – 4ē = 4Н⁺ + О₂.

Продукты электролиза – Сu и О₂.

У анода: 4Н⁺ + 2SO₄^2– = 2Н₂SO₄

Один моль эквивалентов кислорода при н.у. занимает объем 5,6 л. Следовательно, 350 мл составляют 0,35 / 5,6 = 0,0625 моль. Столько же молей эквивалентов выделилось на катоде. Отсюда, масса меди

m = × 0,0625 = 1,98 г.

Пример 13.5. Будут ли, и в какой последовательности, восстанавливаться на катоде одновременно присутствующие в растворе (в равных концентрациях) ионы А1³⁺, Ni²⁺, Sn²⁺, Au³⁺ и Mg²⁺? Напряжение достаточно для выделения любого металла.

Решение. На катоде сначала восстанавливаются катионы, имеющие большее значение электродного потенциала (таблица стандартных элекродных потенциалов). Поэтому, в первую очередь, на катоде будут восстанавливаться ионы Au³⁺ (+1,498 В), далее Sn²⁺ (–0,136 В) и, наконец, Ni²⁺ (–0,250 В). Ионы А1³⁺ (–1,662 В) и Mg²⁺ (–2,363 В), имеющие значения электродного потенциала значительно отрицательнее потенциала восстановления ионов Н⁺ из воды

(–0,41 В), при электролизе водных растворов не восстанавливаются на катоде. При электролизе их солей протекает восстановление молекул воды:

2Н₂О + 2ē = Н₂ + 2ОН^–.

Задачи

№ 13.1. Водный раствор, содержащий смесь нитратов серебра, калия, цинка с одинаковыми концентрациями, подвергли электролизу. Указать значение молярной массы вещества, которое будет восстанавливаться на катоде в первую очередь. Привести уравнения электродных процессов, происходящих на графитовых электродах для всех солей.

№ 13.2. При электролизе водных растворов каких из приведенных ниже веществ на катоде выделяется только металл: хлорид бария, хлорид меди (II), иодид калия, нитрат серебра, сульфид натрия? Привести соответствующие уравнения электродных процессов.

№ 13.3. При электролизе водных растворов каких из приведенных ниже веществ на катоде выделяется только водород: хлорид калия, хлорид никеля (II), бромид кальция, нитрат серебра, иодид натрия? Привести соответствующие уравнения электродных процессов.

№ 13.4. Среди приведенных ниже соединений указать вещества, продукты электролиза которых одинаковы как для растворов, так и для расплавов: фторид серебра, хлорид меди (II), иодид калия, гидроксид натрия. Привести соответствующие уравнения электродных процессов.

№ 13.5. Сколько граммов меди выделилось на катоде при электролизе раствора CuSO₄ в течение 40 мин при силе тока 1,2 А? Привести уравнения электродных процессов. (Ответ: 0,948 г).

№ 13.6. Для выделения 1,75 г некоторого металла из раствора его соли потребовалось пропускать ток силой 1,8 А в течение 1,5 ч. Вычислить молярную массу эквивалентов металла. (Ответ: 17,37 г/моль).

№ 13.7. При электролизе раствора CuCl₂ на аноде выделилось 560 мл газа (условия нормальные). Найти массу меди, выделившейся на катоде. Привести уравнения электродных процессов. (Ответ: 1,59 г).

№ 13.8. При электролизе в течение 1 ч водного раствора нитрата висмута Bi(NO₃)₃ на катоде выделилось 14 г висмута. Выход по току составляет 94 %. Вычислить силу тока. (Ответ: 5,73 А).

№ 13.9. Через электролизеры с водными растворами нитрата ртути (II) и нитрата серебра пропустили одинаковое количество электричества. При этом выделилась ртуть массой 401,2 г. Чему равна масса выделившегося серебра? Привести уравнения электродных процессов. (Ответ: 432 г).

№ 13.10. При электролизе водного раствора SnCl₂ на аноде выделилось

4,48 л хлора (условия нормальные). Найти массу выделившегося на катоде олова. Привести уравнения электродных процессов. (Ответ: 23,74 г).

№ 13.11. Сколько минут следует пропускать ток силой 0,5 А через раствор нитрата серебра для выделения 0,27 г серебра? Привести уравнения электродных процессов. (Ответ: 8 мин).

№ 13.12. При какой силе тока можно получить на катоде 0,5 г никеля, подвергая электролизу раствор сульфата никеля в течение 25 мин? (Ответ: 1,1 А).

№ 13.13. Раствор содержит ионы Fe³⁺, Cu²⁺, Sn²⁺ в одинаковой концентрации. В какой последовательности эти ионы будут выделяться при электролизе, если напряжение достаточно для выделения любого металла? Ответ обосновать.

№ 13.14. При электролизе раствора AgNO₃ в течение 50 мин при силе тока

3 А на катоде выделилось 9,6 г серебра. Определить выход серебра в процентах от теоретически возможного. Привести уравнения электродных процессов. (Ответ: 95,4 %).

№ 13.15. Какие вещества и в каком объеме можно получить при нормальных условиях на нерастворимом аноде при электролизе водного раствора КОН, если пропустить ток силой 13,4 А в течение 2 ч? Привести уравнения электродных процессов. (Ответ: 1,2 л; 5,6 л).

№ 13.16. Сколько времени потребуется для выделения на катоде 4 г вещества при электролизе расплава хлорида кальция при токе силой 1А? Привести уравнения электродных процессов. (Ответ: 5,36 ч).

№ 13.17. Через водный раствор сульфата цинка пропущено 8407 Кл электричества. При этом на катоде выделилось 1,9 г цинка. Рассчитать катодный выход цинка по току. Привести уравнения электродных процессов.

(Ответ: 67 %).

№ 13.18. Вычислить объем кислорода (нормальные условия), выделившегося у анода при электролизе водного раствора сульфата меди, если сила тока составляла 5 А, а продолжительность электролиза 1 ч. (Ответ: 1,04 л).

№ 13.19. Вычислить количество электричества, которое необходимо пропустить через раствор хлорида натрия, чтобы получить 1 т гидроксида натрия. Привести схемы электродных процессов. (Ответ: 2412,5×10⁹ Кл).

№ 13.20. При электролизе водного раствора СuCl₂ с медным анодом масса анода уменьшилась на 1,4 г. Определить расход электричества при этом, если выход по току составляет 73 %. Составить уравнения электродных процессов, определить продукты электролиза. (Ответ: 5825 Кл).