- •Закономерности химических процессов. Электрохимические процессы
- •Введение
- •Тема 1. Определение тепловых эффектов химических реакций. Оценка возможности самопроизвольного протекания процессов
- •1.1. Вопросы для подготовки к лабораторной работе
- •1.2. Решения типовых заданий
- •1.3. Задания для самостоятельного решения
- •Тема 2. Скорость химических реакций.
- •2.1. Вопросы для подготовки к лабораторной работе
- •2.2. Решения типовых заданий
- •2.3. Задания для самостоятельного решения
- •Тема 3. Химическое равновесие
- •3.1. Вопросы для подготовки к лабораторной работе
- •3.2. Решения типовых заданий
- •3.3. Задания для самостоятельного решения
- •3.4. Вопросы и типовой вариант контрольной работы Вопросы
- •Типовой вариант контрольной работы
- •Тема 4. Окислительно-восстановительные реакции
- •4.1. Вопросы для подготовки к лабораторной работе
- •4.2. Решения типовых заданий
- •4.3. Задания для самостоятельного решения
- •Тема 5. Химическая активность металлов
- •5.1. Вопросы для подготовки к лабораторной работе
- •Стандартные электродные потенциалы в водных растворах при 298 к
- •5.2. Решения типовых заданий
- •5.3. Задачи для самостоятельного решения
- •Тема 6. Коррозия и защита металлов
- •6.1. Вопросы для подготовки к лабораторной работе
- •6.2. Решения типовых заданий
- •6.3. Задачи для самостоятельного решения
- •Тема 7. Электролиз водных растворов электролитов
- •7.1. Вопросы для подготовки к лабораторной работе
- •7.2. Решения типовых заданий
- •7.3. Задачи для самостоятельного решения
- •7.4. Вопросы и типовой вариант контрольной работы Вопросы
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Закономерности химических реакций. Электрохимические процессы
- •Закономерности химических процессов. Электрохимические процессы
7.2. Решения типовых заданий
Задание 1. В какой последовательности восстанавливаются катионы при электролизе смеси растворов нитратов натрия, серебра, цинка? Ответ обоснуйте.
Решение. В растворе имеются молекулы H2O и катионы Na+, Ag+ , Zn2+, образовавшиеся в результате диссоциации солей.
На катоде, прежде всего, разряжаются катионы, процесс восстановления которых характеризуется наиболее положительным электродным потенциалом. Стандартные электродные потенциалы процессов (табл. 5.1 и 7.1)
E0 Na+/Na0= - 2,71 В, E0Ag+/Ag0 = + 0,80 В,
E0Zn2+/Zn0= - 0,76 В, E0н2о/½н2,он- = - 0,41В.
Таким образом, первым восстанавливается Ag+, так как потенциал данного процесса наиболее положительный. Молекулы H2О и ионы Zn2+ восстанавливаются одновременно, несмотря на некоторое различие их стандартных электродных потенциалов. Связано это с тем, что водород выделяется с большим перенапряжением. В результате потенциалы обоих восстановительных процессов при высокой плотности тока примерно одинаковы. Ионы Na+ из водных растворов не восстанавливаются, т.к. их потенциал значительно отрицательнее электродного потенциала водородного электрода в нейтральной среде.
Задание 2. Укажите, в какой последовательности окисляются анионы при электролизе смеси растворов сульфата, хлорида и сульфида калия. Ответ обоснуйте.
Решение. В растворе имеются анионы SO42-, Cl- , S2-, образовавшиеся в результате диссоциации солей, и молекулы H2O .
На аноде, прежде всего, разряжаются анионы, процесс окисления которых характеризуется наиболее отрицательным электродным потенциалом. Стандартные электродные потенциалы процессов окисления анионов следующие (табл. 5.1):
E0S2O82-/2SO42-- = + 2,01 В , E0Cl20/2Cl─ = + 1,36 B,
E0S2-/S0 = + 0,45 В, E0(E½о2,2н+/н2о) = + 0,82 В .
Первыми, как видно, окисляются ионы S2- как более сильные восстановители. Потенциал кислородного электрода отрицательнее потенциала восстановления Сl─. Однако, выделение кислорода протекает со значительно более высоким перенапряжением, чем выделение хлора. В результате на аноде сначала выделяется хлор и только потом кислород. Ионы SO42- из водных растворов не окисляются, т.к. их потенциал значительно положительнее электродного потенциала кислородного электрода в нейтральной среде.
Задание 3. Составьте уравнения реакций, протекающих на электродах, при электролизе водного раствора сульфата натрия в случае инертного анода и анода из меди.
Решение. Анод инертный (угольный электрод).
В воде сульфат натрия диссоциирует на ионы по уравнению
Na2SO4 → 2Na+ + SO42-,
в растворе, следовательно, присутствуют
катионы Na+, анионы SO42- и молекулы H2O.
Возможные участники электродного процесса:
на катоде (─) на аноде (+)
Na+ (E0Na+/Na0 = - 2,71 В), H2O (E½о2,2н+/н2о) = + 0,82 В),
H2O (E0н2о/½н2,он- = - 0,41 В), SO42- (E0s2o42-/2so42-) = + 2,01 В).
Уравнения электродных процессов:
на катоде: 2Н2О + 2е- → H2 + 2OH─ , так как электродный потенциал этого процесса наименее отрицателен;
на аноде: 2H2O→ O2 + 4H+ + 4е-, так как потенциал данного процесса имеет наименее положительное значение.
Суммарной является реакция разложения воды:
2Н2О + 4е- → 2Н2 + О2.
Активный анод (медный электрод):
На катоде происходит тот же процесс, что и в первом случае:
2H2O + 2е-→ H2+ 2OH─.
На аноде возможно окисление H2O, SO42- и Cu0, но так как потенциал окисления меди более отрицателен (менее положителен) (Е0Cu2+/Cu0= + 0,34 B), чем остальные, то реально идёт окисление медного анода:
Cu0 → Cu2++ 2е-.
Суммарное уравнение электролиза:
2H2O + Cu→ Cu(OH)2 + H2.
Задание 4. Рассчитайте, сколько времени необходимо проводить электролиз расплава хлорида натрия NaCl при силе тока 3А, чтобы на катоде выделилось 4,6 г натрия?
Решение. Согласно закону Фарадея (7.1)
где m - масса вещества, выделившаяся при электролизе на электродах, г;
I- сила тока, А;
t - продолжительность электролиза, с;
Mэ – молярная масса эквивалента вещества, моль/л.
Отсюда
Молярная масса эквивалента натрия равна его молярной массе:
МэNa = MNa = 23 г/моль.
I = 2A. Подставив значения в формулу, получаем
t = 4,6 ∙ 96500 / 23 ∙2 = 9650 с или 2,68 часа.
Задача 5. Рассчитайте, сколько граммов меди выделилось на катоде при электролизе раствора CuSO4 в течение 1 ч при силе тока 4 А?
Решение. Согласно закону Фарадея (7.1)
где m - масса вещества, выделившаяся при электролизе на электродах;
J - сила тока, А;
t - продолжительность электролиза, с;
Mэ – молярная масса эквивалента вещества, моль/л.
Молярная масса эквивалента меди равна МэCu = г/моль,
MэCu = 63,5 / 2 = 31,8 г/моль.
I = 4A, t = 1∙60∙60 = 3600 с. Подставив значение в формулу, получаем
m = 31,8∙4∙3600 / 96500 = 4,7 г.