Составление электронных уравнений процессов, происходящих на электродах при электролизе солей

Задание 271.

Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах при электролизе раствора AgNO₃. Если электролиз проводить с серебряным анодом, то его масса уменьшается на 5,4 г. Определите расход электричества при этом. Ответ: 4830 Кл.

Решение:
Процессы, происходящие на угольных электродах при электролизе нитрата серебра:

Стандартный электродный потенциал системы Ag⁺ +    = Ag⁰ (+0,80 В) значительно положительнее потенциала водородного электрода в кислой среде (0,00 В). В  этом случае на катоде будет происходить электрохимическое восстановление меди Ag⁺:

Ag⁺ +    = Ag⁰

На аноде будет происходить электрохимическое окисление воды, приводящее к выделению кислорода:

2Н₂О — 2   = О₂↑ + 4Н⁺,

поскольку, отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+1,23 В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал, характеризующий систему из кислородной кислоты. Ионы NO₃^—, движущиеся при этом к аноду, будут накапливаться  в анодном пространстве.

Расход электричества, необходимый для проведения электролиза находим из уравнения Фарадея, имея в виду, что М_Э(Ag) = 107,868 г/моль, m(Ag) = 5,4 г; Q = I ^. t, получим:

m(B) = М_Э(B) ^. I ^. t/F 
Q = I ^. t = m(B) ^. F/ МЭ(B). = 5,4  ^.  96500/107,868 = 4830 Кл;

Здесь m(B) – масса выделившегося вещества, г; МЭ(В) – масса эквивалента вещества, г/моль; I – сила тока,  А;  t – время, с; F – число Фарадея, 96500 Кл/моль.

Ответ: Q = 4830 Кл.

Задание 272.
Электролиз раствора СuSO₄ проводили в течение 15 мин при силе тока 2,5 А. Выделилось 0,72 г меди. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах в случае медного и угольного анодов. Вычислите выход по току (отношение массы выделившегося вещества к теоретически возможной). Ответ: 97,3%.
Решение:
а) Электролиз медного купороса на угольных электродах:
Стандартный электродный потенциал системы Cu²⁺ + 2   = Cu⁰ (+0,34 В) значительно положительнее потенциала водородного электрода в кислой среде (0,00 В). В  этом случае при электролизе соли на угольных электродах, на катоде будет происходить электрохимическое восстановление меди Cu²⁺:

Cu²⁺ + 2   = Cu⁰

На аноде будет происходить электрохимическое окисление воды, приводящее к выделению кислорода:

2Н₂О — 4   = О₂↑ + 4Н⁺,

поскольку, отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+1,23 В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (+2,01 В), характеризующий систему: 2SO₄^2- — 2   = 2S₂O₈^2-. Ионы SO₄^2-, движущиеся при этом к аноду, будут накапливаться  в анодном пространстве.

б) Электролиз медного купороса в случае медного анода:
При электролизе медного купороса на медном аноде на катоде будет электрохимическое восстановление меди Cu²⁺. На аноде будет происходить электрохимическое окисление меди, приводящее к выделению в анодное пространство ионов Cu²⁺, поскольку  отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+0,34 В) значительно ниже, чем стандартный потенциал (+1,23 В), характеризующий систему:

2Н₂О — 4   = О₂↑ + 4Н⁺

т. е. в данном случае при электролизе будет происходить растворение медного анода и отложение меди на катоде. Электрохимические процессы при данном типе электролиза:

Катод: Cu²⁺ + 2   = Cu⁰;
Анод: Cu⁰ — 2   = Cu²⁺

в) Вычисление выхода меди по току.
Массу теоретического выхода меди вычислим из уравнения Фарадея, имея в виду, что 15 мин = 900 с и М_Э(Cu) = 31,77 г/моль, I = 2,5 A, получим:

m(Cu) = МЭ(В) ^. I ^. t/F = 31,77 ^. 2,5 ^. 900/96500 = 0,74 г.

Здесь m(B) – масса выделившегося вещества, г; М_Э(В) – масса эквивалента вещества, г/моль; I – сила тока,  А;  t – время, с; F – число Фарадея, 96500 Кл/моль.

Выход по току (отношение массы выделившегося вещества к теоретически возможной) равен:

m%  =  (0.72 ^. 100)/0,74 = 97,3% 

Ответ: m%  = 97,3%.

Задание 273.
Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на графитовых электродах при электролизе расплавов и водных растворов NaCl и КОН. Сколько литров (н.у.) газа выделится на аноде при электролизе гидроксида калия, если электролиз проводить в течение 30 мин при силе тока 0,5 А? Ответ: 0,052 л.
Решение:
а) При электролизе расплава соли NaCl происходит диссоциация: NaCl ⇔ Na⁺ + Cl^—. Ионы натрия движутся к катоду, где окисляются до металлического натрия:

Na⁺ +     = Na⁰

Ионы хлора движутся к аноду, где восстанавливаются до газообразного хлора:

2Сl^— — 2   = Cl₂⁰

Таким образом, при электролизе расплава NaCl на катоде выделяется металлический натрий, а на аноде – газообразный хлор.
При электролизе раствора соли хлорида натрия в электрохимических процессах кроме ионов натрия и хлора участвует и вода. Стандартный электродный потенциал системы Na⁺ +    = Na⁰ (-2,71 В) значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода, а ионы Na+, приходящие к катоду, будут накапливаться в прилегающей к нему зоне (катодное пространство):

2Н₂О + 2   = Н₂↑  + 2ОН^—

На аноде будет происходить электрохимическое окисление ионов Cl-, приводящее к выделению хлора:

2Сl^— — 2   = Сl₂⁰

поскольку  отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+1,36 В) значительно ниже, чем стандартный потенциал (+1,23 В), характеризующий систему

2Н₂О — 4   = О₂↑  + 4Н⁺

б) КОН — сильный электролит, который диссоциирует по схеме:

КОН ⇔ К⁺ + ОН^—

При электролизе расплава КОН ионы калия движутся к катоду, где окисляются до свободного калия:

К⁺ +    = К⁰

Гидроксид-ионы движутся к аноду, где восстанавливаются с образованием газообразного кислорода и воды:

4OH^— — 4   = O₂↑  + 2H₂O

Таким образом, при электролизе расплава КОН продуктами электролиза являются металлический калий (у катода) и кислород и вода (у анода).

При электролизе раствора КОН в электрохимических процессах кроме ионов калия и  гидроксид-ионов участвует и вода. Стандартный электродный потенциал системы К⁺ +    = К⁰ (-2,92 В) значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода, а ионы К⁺, приходящие к катоду, будут накапливаться в прилегающей к нему зоне (катодное пространство), образуется гидроксид калия:

2Н₂О + 2   = Н₂↑  + 2ОН^—

На аноде будет происходить электрохимическое окисление ионов ОН-, приводящее к выделению кислорода:

4ОН^— — 4   = О₂↑  + 2Н₂О,

поскольку отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (+0,54 В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (+1,23 В), характеризующий систему 2Н₂О — 4   = О₂↑  + 4Н^₊.

Таким образом, продуктами электролиза раствора КОН являются газообразные водород и кислород, а в растворе – гидроксид калия КОН.

в) Объём выделившегося газа на аноде находим из уравнения Фарадея, которое представим в следующем виде: 

V = V_Э ^. I^. t/F

Здесь V – объём выделившегося газа, л; m(B) – масса выделившегося вещества, г; V_Э – эквивалентный объём газа, л/моль; I – сила тока равна 0,5 А;  t – время равно 1800 с; F – число Фарадея, 96500 Кл/моль.

Поскольку при нормальных условиях эквивалентный объём кислорода равен 5,6 л/моль, получим:

V(О₂) = (5,6 ^. 0,5 ^. 1800)/96500 = 0,652 л

Ответ: V(О₂)  =  0,052 л.