Расчеты массы веществ и составление уравнений электродных процессов при электролизе растворов электролитов

Видео:Составление уравнений химических реакций. 1 часть. 8 класс.Скачать

Расчет массы гидроксида калия, образовавшегося при электролизе раствора фосфата калия

Задача 199.
Сколько граммов KOH образуется у катода при электролизе раствора K₃PO₄ если на аноде выделилось 11,2 л кислорода?
Решение:
Уравнение диссоциации соли:

 K₃PO₄ = 3K⁺ + PO₄^3-:

Стандартный электродный потенциал системы К⁺ + 1ē  = 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):

2Н₂О + 2ē  = Н₂↑ + 2ОН^—

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

4ОН^— — 4ē  = О₂↑ + 2Н₂О,

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

Уравнения электродных процессов:

К(-):  2|(–)2H₂O + 2ē  → H₂↑ + 2OH^—  (в растворе: K⁺, 2OH⁻); 
А(+): 1|(+)2H₂O – 4ē  → 4H⁺ + O₂↑ (В растворе: 4H⁺, PO₄^3-).

Сложив уравнения электродных процессов на катоде и аноде, получим полное ионно-молекулярное уравнение электролиза соли К₃РО₄:

4Н₂О + 2Н₂О = 2H₂↑ + 4OH^—+ 4H⁺+ O₂↑

После приведения равенства получим молекулярное уравнение электролиза:

2Н₂О = 2H₂↑ + O₂↑

С учетом того, что диссоциация соли фосфата калия в растворе протекает полностью, запишем молекулярное уравнение реакции её электролиза, получим:

К₃РО₄ + 5Н₂О = 2H₂↑ + O₂↑ + 3КОН  +  Н₃РО₄ 

Из уравнения электролиза К₃РО₄ вытекает, что на 1 моль О₂ образуется 3 моль КОН, т.е. n(O₂) = 3n(KOH).

Находим количество выделившегося кислорода, получим:

n(O₂) = V(O₂)/Vm = 11,2/22,4 = 0,5 моль;

Тогда 

n(KOH) = 3n(O₂) = 0,5 • 3 = 1,5 моль.

Отсюда 

m(KOH) = n(KOH)•M(KOH) = 1,5 • 56 = 84 г.

Ответ: m(KOH) = 84 г.
 

Видео:Задачи на составление уравненийСкачать

Расчет количество вещества меди, перешедшего в раствор с анода при электролизе сульфата меди (II)

Задача 200.
При электролизе водного раствора сульфата меди (II) с медным анодом масса катода увеличилась на 3,2 г. Какое количество вещества меди перешло в раствор с анода?
Ответ: 0,05 моль.
Решение:
Уравнение диссоциации сульфата меди:

CuSO₄ ⇔ Cu²⁺ + SO₄^2-

Стандартный электродный потенциал системы: Cu²⁺ + 2ē   ⇔ Cu⁰ (+0,34 В) значительно положительнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление ионов меди: Cu²⁺ + 2ē  ⇔ Cu⁰.
На аноде будет происходить электрохимическое окисление меди – материала анода, поскольку, отвечающий системе:
Cu⁰ — 2ē  ⇔ Cu²⁺  (+0,34 В) значительно ниже 2SO₄^2- + 2ē  ⇔ S₂O₈^2-  (+2,01 В). Ионы  SO₄^2-, движущиеся к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве. Таким образом, на аноде будет происходить растворение меди — материал анода, а на катоде – отложение чистой меди. 
Уравнения электродных процессов:

А(+): Cu⁰ — 2ē  ⇔ Cu²⁺
К(-):  Cu²⁺ + 2ē  ⇔ Cu⁰

Суммарное уравнение катодного и анодного процессов будет иметь вид:

 2Cu⁰  +  Cu²⁺ = Cu²⁺    +  Cu⁰
                         анод        катод

Таким образом, при электролизе CuSO4 на катоде будет наблюдаться выделение чистой меди, на аноде — растворение медного электрода (медь анода будет переходить в раствор в виде ионов Cu²⁺). Значит, n_катод(Cu) = n_анод(Cu)

Тогда

n_катод(Cu) = n_анод(Cu) = m(Cu)/M(Cu) = 3,2/64 =  0,05 моль.

Ответ: 0б5 моль.

 Расчет массы металла и объема газа, выделившихся при электролизе раствора соли

Задача 201.
Через растворы NiSO₄ и Pb(NO₃)₂ пропускали одно и то же количество электричества. На одном из катодов выделилось 25,9 г свинца. Сколько граммов никеля выделилось на другом катоде? Какой газ и в каком объеме, измеренном при нормальных условиях, выделился на каждом из электродов?
Решение:
М(Ni) = 58,6934 г/моль;
M(Pb) = 207,2 г/моль;
m(Pb) = 25,9 г;
m(Ni) = ?
V(H₂) = ?
V(O₂) = ?
Для никеля и свинца, как металлов со средней химической активностью, расположенных в ряду активности после алюминия, на катоде происходят одновременно две 
реакции – образование водорода и выделение металла. 
Так как NiSO₄ и Pb(NO₃)₂ являются кислородсодержащими кислотами, то на аноде будет происходить окисление воды с выделением кислорода.
Схемы электродных процессов электролиза водных растворов солей NiSO₄ и Pb(NO₃)₂ выглядят следующим образом:

a) NiSO₄  = Ni²⁺ + SO₄^2-

К(+): Ni²⁺ + 2ē  = Ni⁰
          2Н₂О + 2ē = Н₂↑  + 2ОН^—
А(-): 2Н₂О — 4ē = О₂↑ + 4Н⁺

Суммарное ионно-молекулярное уравнение:

Ni²⁺ + 4Н₂О = Ni⁰ + Н₂↑  + 2ОН^— + О₂↑ + 4Н⁺.

После приведения членов, получим:

Ni²⁺ + 2Н₂О = Ni⁰ + Н₂↑ + О₂↑ + 2Н⁺.

Суммарное молекулярное уравнение:

N1₂SO₄ + 2H₂O = Ni + Н₂↑ + О₂↑ + H₂SO₄

б)  Pb(NO₃)₂ = Рb²⁺ + 2NO₃^—

К(+): Pb²⁺ + 2ē  = Pb⁰
         2Н₂О + 2ē = Н₂↑  + 2ОН^—
А(-):  2Н₂О — 4ē = О₂↑ + 4Н⁺

Суммарное ионно-молекулярное уравнение:

Pb²⁺ + 4Н₂О = Pb⁰ + Н₂↑  + 2ОН^— + О₂↑ + 4Н⁺.

После приведения членов, получим:

Pb₂₊ + 2Н₂О = Pb⁰ + Н₂↑ + О₂↑ + 2Н⁺.

Суммарное молекулярное уравнение:

Pb₂SO₄ + 2H₂O = Pb + Н₂↑ + О₂↑ + 2HNO₃

Из суммарных уравнений процессов электролизов солей вытекает, что при электролизе водных растворов NiSO₄ и Pb(NO₃)₂ при пропускании через их растворы одного и того же количества электричества, на катодах будет выделяется метал и водород, на анодах — кислород, в равных количествах.

Тогда

n(Pb) = n(Ni) = n(H₂) = n(O₂)
n(Pb) = m(Pb)/M(Pb) = 25,9/207,2 = 0,125 моль.

Отсюда

m(Ni) = n(Ni) • M(Ni) = 0,125 • 58,6934 = 7,3 г.
V(H₂) =  n(H₂) • Vm = 0,125 • 22,4 = 2,8 л.
V(O₂) = V(H₂) = 2,8 л.

Ответ: m(Ni) = 7,3 г; V(H₂) = 2,8 л; V(O₂) = 2,8 л.
 

Электролиз раствора гидроксида натрия

Задача 202.
При электролизе водного раствора NaOH, через Pt-электроды пропустили ток, силой 3 А. Напишите уравнения электродных реакций. Рассчитайте объемы газов, выделившихся на электродах за 3 часа (н. у.).
Решение:
Электродные процессы:

на катоде: 2|2Н₂О + 2ē = Н₂↑ + 2ОН⁻;
на аноде:  1|2Н₂О — 4ē = О₂↑ + 4Н⁺.

Суммарное уравнение процесса получим, умножив уравнение на катоде на два и, сложив его с анодным уравнением: 

6Н2О = 2Н₂↑ + 4ОН⁻ + О₂↑ + 4Н⁺.
               у катода           у анода

При вычислении объёмов выделившихся газов представим уравнение Фарадея 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; 
М_Э(В) – масса эквивалента вещества, г/моль; 
I – сила тока,  А;  
t – время, с; 
F – число Фарадея, 96500 Кл/моль.

Тогда

V(H₂) = 11,2•3•10800/96500 = 3,76 л;
V(О₂) = 5,6•3•10800/96500 = 1,88 л.

Ответ: V(H₂) = 3,76 л; V(О₂) = 1,88 л.
 

Электролиз раствора сульфата цинка 

Задача 203.
Какие реакции протекают на электродах при электролизе раствора сульфата цинка: а) с графитовым анодом; б) с цинковым анодом.
Решение:
а) электролиз раствора сульфата цинка с графитовым анодом

1-й вариант электролиза раствора сульфата цинка с графитовым анодом

Для цинка, как металла со средней химической активностью, расположенного в ряду активности после алюминия, на катоде происходят одновременно две 
реакции – образование водорода и выделение металла. 
Так как ZnSO4 является кислородсодержащей кислотой, то на аноде будет происходить окисление воды с выделением кислорода.
Схемы электродных процессов электролиза раствора ZnSO4 выглядят следующим образом:

ZnSO₄  = Zn²⁺ + SO₄^2- (диссоциация соли)
К(-): 1|Zn²⁺ + 2ē  = Zn⁰     
         1|2Н₂О + 2ē = Н₂↑  + 2ОН^—
А(+): 1|2Н₂О — 4ē = О₂↑ + 4Н⁺

Суммарное ионно-молекулярное уравнение:

Zn²⁺ + 4Н₂О = Zn⁰ + Н₂↑  + 2ОН^— + О₂↑ + 4Н⁺.

После приведения членов, получим:

Zn²⁺ + 2Н₂О = Zn⁰ + Н₂↑ + О₂↑ + 2Н⁺.

Суммарное молекулярное уравнение:

ZnSO₄ + 2H₂O = Zn + Н₂↑   +  О₂↑ + H₂SO₄
                            у катода         у анода

Таким образом, при электролизе раствора сульфата цинка с угольным электродом на катоде будет наблюдаться выделение газообразного водорода и металлического цинка, а на аноде будет наблюдаться выделение газообразного кислорода.

Выводы:
1) В случае электролиза водного раствора ZnSO₄ одновременно протекают два процесса:

ZnSO₄  = Zn²⁺ + SO₄^2-
ZnSO₄ + 2H₂O = Zn + Н₂↑ + О₂↑ + H₂SO₄

2-й вариант электролиза раствора сульфата цинка с графитовым анодом

Рассмотрим альтернативное протекание электролиза водного раствора ZnSO₄.
Замечено, что в растворе есть гидроксид-ионы (ОН^—), но в предыдущей записи электродных процессов для них нет противоионов. Следовательно, нужно добавить в раствор (Zn²⁺). Так как удвоилось количество ионов цинка, необходимо удвоить и количество сульфат-ионов: 

К(-):  Zn²⁺ + 2ē  = Zn⁰     
         2Н₂О + 2ē = Н₂↑  + 2ОН^—
         Zn²⁺ (в растворе)
А(+): 2Н₂О — 4ē = О₂↑ + 4Н⁺   
         2SO₄^2- (в растворе)

Складываем левые и правые части катодных и анодных процессов получим суммарное ионно-молекулярное уравнение:

Zn²⁺ + 2H₂O + Zn²⁺ + + 2H₂O + 2SO₄^2- = Zn⁰ + Zn²⁺+ Н₂↑  + + 2ОН^— + О₂↑ + 2SO₄^2- + 4Н⁺.

Соединяем катионы и анионы  и записываем итоговое уравнение электролиза, получим:

2ZnSO₄ + 4H₂O = Zn + Zn(OH)₂ + Н₂↑  + О₂↑ + 2H₂SO₄                             
                             у катода                        у анода                             

Выводы:
1) В случае электролиза водного раствора ZnSO₄ одновременно протекают два процесса:

ZnSO₄  = Zn²⁺ + SO₄^2-
2ZnSO₄ + 4H₂O = Zn + Zn(OH)₂ + Н₂↑  + О₂↑ + 2H₂SO₄                           
                                       у катода                 у анода                

Таким образом, при электролизе раствора сульфата цинка с угольным электродом на катоде будет наблюдаться выделение газообразного водорода, металлического цинка и гидроксида цинка, а на аноде будет наблюдаться выделение газообразного кислорода.

б) электролиз раствора сульфата цинка с цинковым анодом

На катоде так же как и при электролизе раствора ZnSO₄ с угольным электродом происходят одновременно две реакции – образование водорода и выделение металла, а ионы цинка Zn2+, приходящие к катоду, будут накапливаться в прилегающей к нему части раствора (катодное пространство). 
На аноде будет происходить электрохимическое окисление цинка – материала анода, поскольку, отвечающий системе: Zn⁰ + 2ē  ⇔ Zn²⁺  (-0,76 В) значительно ниже системы: 
S₂O₈^2-+2ē =2SO₄^2- (+2,01 В).
Сульфат-ионы, движущиеся к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве. 
Таким образом, на аноде будет происходить растворение цинка — материал анода, а на катоде – выделение газообразного водорода и малорастворимого соединения Zn(OH)₂  [Zn²⁺ + 2OH^— = Zn(OH)₂]. 
Уравнения электродных процессов:

К(-): 1|Zn²⁺ + 2ē  = Zn⁰
        1|2Н₂О + 2ē = Н₂↑  + 2ОН^—
A(+): 2|Zn⁰ — 2ē = Zn²⁺

Суммарное ионно-молекулярное уравнение:

Zn²⁺ + 2H₂O + 2Zn⁰ = Zn⁰ + Н₂↑ + 2OH^—   +    Zn²⁺                                   
                                      у катода                  у анода

После приведения равенства, получим:

2H₂O + Zn⁰ = Н₂↑ + 2OH^— + Zn²⁺ (ионно-молекулярная форма);
2H₂O + Zn⁰ = Н₂↑ + Zn(ОН₂ (молекулярная форма).

Таким образом, при электролизе ZnSO₄ с цинковым анодом на катоде будет наблюдаться выделение газообразного водорода и в осадок выпадает гидроксид цинка, на аноде будет происходить растворение материала анода (цинк).