Составление схем электродных процессов на электродах при электролизе солей

Электролиз водного раствора соли хлорида железа (ⅠⅠ)

Задача 152.
Составьте схему электролиза  водного раствора FeCl₂. Вычислите время, в течение которого должен быть пропущен ток силой I A через раствор, чтобы на катоде выделилось m (г) металла.(восстановление воды не учитывать) 
Раствор FeCl₂ , катод-угольный, анод-угольный. I = 4 А , m = 2.9 г
Решение:
Е(Fe²⁺/Fe) = 0,44 В;
M(FeCl₂) = 126,751 г/моль
Э(FeCl₂) = 63,3755 г/?моль.
В водном растворе соль FeCl₂ диссоциирует по схеме:  FeCl₂ = Fe²⁺ + 2Cl^–. Стандартный электродный потенциал системы 
Fe²⁺ + 2электрона  = Fe⁰ (-0,44 В) незначительно положительнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление ионов Fe²⁺ и Н₂О:

Fe²⁺ + 2ē = Fe⁰
2Н₂О + 2ē = Н₂ + 2ОН^–

На аноде будет происходить электролитическое окисление ионов хлора с образованием свободных атомов хлора, которые, соединяясь друг с другом, образуют молекулу хлора:

2Cl^– — 2ē  =  2Cl*
Cl* + Cl* = Cl₂

Сложим уравнение катодного и анодного процессов, получим суммарное ионно-молекулярное уравнение:

Fe²⁺ + 2Н₂О + 2Cl^– = 2Fe⁰ + Н₂↑ + 2ОН^– + Cl₂↑ 

На аноде ионы Fe²⁺ соединяются с двумя ионами ОН^–, образуя нерастворимый гидроксид железа (ⅠⅠ) Fe(OH)₂:

Fe²⁺ + 2ОН^– = Fe(OH)₂

Тогда молекулярная форма процесса будет иметь вид:

2FeCl₂ + 2H₂O = Fe + H₂↑ +  2Сl₂↑+ Fe(OH)₂
                                 катод     анод

При гидролизе FeCl₂ в водном растворе с инертными электродами образуются металлическое железо, и выделяются газообразный водород и хлор. На катоде будет выделяться металлическое железо и газообразный водород, а на аноде — хлор.
Рассчитаем время электролиза FeCl₂ по формуле Фарадея, получим:

m = (Э . I . t)/F;
t = (m . F)/(Э . I) = (2,9 . 96500)/(63,3755 . 4) = 48250/324,96 = 1104 c.
 

Электролиз водного раствора нитрата кадмия

Задача 153.
Электролиз раствора нитрата кадмия с графитовыми электродами и кадмиевым анодом. Опишите электродные процессы на электродах.
Решение:
В водном растворе соль нитрата кадмия диссоциирует по схеме: 

Cd(NO₃)₂ = Cd²⁺  + 2NO₃^–

1. Электролиз раствор нитрата кадмия с графитовыми электродами 

Стандартный электродный потенциал системы Cd²⁺  +  2ē  = Cd0 (-0,402 В) незначительно отличается от потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода, поэтому на катоде протекают одновременно две реакции – образование водорода и выделение кадмия:

2|Катод(-): Cd²⁺ + 2ē =  Cd⁰;
                 2H₂O + 2ē = H₂↑ + 2OH^–;
1|Анод(+): 2H₂O — 4ē = O₂↑ + 4H⁺;
6H₂O = О₂↑ + 2H₂↑ + 4OH^– + 4Н⁺

Уравнение электролиза будет иметь вид:

2Cd²⁺ + 2Н2О = 2Cd⁰ + H₂↑ + O₂↑ + 4Н⁺

Таким образом, в катодном пространстве будут разряжаться ионы кадмия и молекулы воды при этом на графитовом электроде откладываеся металлический кадмий и выделяется газообразный водород, а в анодном пространстве будет у графитового электрода будет выделяться газообразный водород и будут накапливаться ионы NO₃^– и H⁺. Среда у анода в процессе электролиза Cd(NO₃)₂ становится кислой.

Суммарная реакция электролиза в молекулярной форме:

2Cd(NO₃)₂ + 4Н₂О = 2Cd + H₂↑ + O₂↑ + 4НNO₃

2. Электролиз раствора нитрата кадмия с кадмиевым анодом

Так как кадмиевый анод растворим в условиях электролиза соли Cd(NO₃)_2, то на аноде происходит окисление материала анода. Поэтому при электролизе Cd(NO₃)₂ с использованием кадмиевого анода на катоде будет выделяться чистый кадмий и водород, а на аноде ионы кадмия не будут разряжаться, и, следовательно, выделение кислорода не наблюдается. В данном случае происходит растворение самого кадмиевого анода, т.е. с анода кадмий в виде ионов Cd²⁺ переходит в раствор.

Электродные процессы на электродах:

1|Катод(-): Cd²⁺ + 2ē =  Cd⁰;
                   2H₂O + 2ē = H₂↑ + 2OH^–;
2|Анод(+): Сd⁰ – 2ē = Cd²⁺

Уравнение электролиза в ионно-молекулярном виде:

Сd²⁺ + 2H₂O + 2Cd⁰ =  Cd⁰ + 2Cd²⁺ + H₂↑ + 2OH^–

После приведения членов в обеих частях равенства получим:

Сd⁰ + 2H₂O = Cd²⁺ + H₂↑ + 2OH-

Ионы кадмия Cd²⁺ у анода будут соединяться с ионами ОН-, образуя малорастворимое основание Cd(OH)₂:

Cd²⁺ + 2OH^– = Cd(OH)₂

Суммарная реакция электролиза в молекулярной форме:

Cd + 2Н₂О =  H₂↑ +Cd(OH)₂
 

Электролиз водного раствора соли хлорида меди (Ⅰ)

Задача 154.
Составить схему электролиза соли CuCl. Рассчитать массу меди, выделившейся при электролизе соли CuCl, если в течении 40 минут пропущен ток силой 3 А.
Решение:
Mэ(CuCl) = 98,999 г/моль;
I = 3 A;
t = 40 мин = 2400 с.

1. Электродные процессы

Медь находятся в ряду активности металлов «после водорода», значит на катоде будет протекать реакция восстановления только меди:

Cu⁺ + 1ē  = Cu⁰

Стандартный электродный потенциал системы Cu⁺ + 1ē  = Cu⁰ (+0,52 В) значительно положительнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление ионов меди:

Cu⁺ +  1ē = Cu⁰

Так как стандартный электродный потенциал системы  2H₂O — 4ē = O₂↑ + 4OH^– и  2Cl^– + 2ē = Cl₂, соответственно, равны 1,23В и 1,36 B, то на
аноде будет: 2Cl^– + 2ē = Cl₂.

Схема электролиза соли CuCl с использованием графитовых электродов:

2|Катод: Cu⁺ + 1ē  =   Cu⁰
1|Анод:  2Cl^– + 2ē = Cl₂.

Суммарное уравнение катодного и анодного процессов будет иметь вид:

2Cu⁺ + 2Cl^– =  2Cu⁰  +   Cl₂              
                       катод      анод  

Молекулярная форма:

2СuCl =  2Cu  +   Cl₂    

Таким образом, при электролизе водного раствора CuCl с использованием графитовых электродов на катоде выделяется металлическая медь, а на аноде — газзобразный хлор.

2. Вычисление количества полученной меди

Для вычисления массы меди используем выражение из первого закона электролиза Фарадея:

m(B) = [M(Э)•I•t]/F = M(Э)•q, где

m(B) — масса выделяемого веществав;  M(Э) — электрохимический эквивалент (молярная масса эквивыалента вещества); I – сила тока; t – время; F — число Фарадея (96500 Кл/моль); q — количество электричества. 
Тогда
m(CuCl) = [Mэ(CuCl)•I•t]/F = (98,999•3•2400)/96500 = 7,4 г.

Ответ: m(CuCl) = 7,4 г.