Главная Обратная связь

Дисциплины:






Задания для текущих и промежуточных контролей. 1. Какова ЭДС гальванического элемента, состоящего из водородного и кислородного электродов, в растворе с рН=3 при температуре 25 °С?



1. Какова ЭДС гальванического элемента, состоящего из водородного и кислородного электродов, в растворе с рН=3 при температуре 25 °С?

Ответ: 1,23 В.

 

2. Вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из двух водородных электродов, в растворе с рН=4 и рН=10 при температуре 25 °С?

Ответ: 0,354 В.

 

3. Какова ЭДС гальванического элемента, состоящего из кислородных электродов, в растворах с рН=5 и рН=12 при температуре 25 °С?

Ответ: 0,413 В.

 

4. ЭДС гальванического элемента, состоящего из водородного электрода и электрода, имеющего потенциал 0,285 В, равна 0,429 В при температуре 25 °С. Вычислите рН раствора.

Ответ: 2,44.

 

5. ЭДС гальванического элемента, составленного из кислородного электрода и электрода, имеющего потенциал 0,25 В, равна 0,299 В при температуре 25 °С. Вычислите рН раствора.

Ответ: 11,54.

 

6. Вычислите ЭДС гальванического элемента Fe|FeSO4(0,1M)||(0,01н)NaOH|H2, Pt, при температуре 25 °С.

Ответ:0,2375В.

 

7. Гальванический элемент состоит из железа, погруженного в раствор его соли с концентрацией ионов Fe2+ 0,1М, и кадмия, погруженного в раствор ее соли. Какой концентрации должен быть раствор соли кадмия, чтобы ЭДС стала равна нулю?

Ответ: 4,76.10-3 моль/л.

 

8. Чему равна ЭДС гальванического элемента

Cd|Cd(NO3)2(0,01M)||(0,1M)AgNO3|Ag

при температуре 25 °С?

Ответ: 1,201 В.

 

9. Какой должна быть концентрация ионов меди в растворе, чтобы гальванический элемент Zn|ZnSO4||CuSO4|Cu при концентрации ионов цинка, равной 0,01 моль/л, давал при температуре 25 °С ЭДС = 1,0983 В?

Ответ: 0,01 моль/л.

 

10. ЭДС гальванического элемента, составленного из кислородного электрода в растворе соляной кислоты и электрода, имеющего потенциал 0,785 В, равна 0,265 В при температуре 25 °С. Вычислите рН раствора соляной кислоты.

Ответ: 3.

 

11. ЭДС гальванического элемента, составленного из водородного электрода в растворе гидроксида натрия и электрода, имеющего потенциал -0,250 В, равна 0,370 В при температуре 25 °С. Вычислите рН раствора гидроксида натрия.

Ответ: 10,5.

 

12. Какова ЭДС гальванического элемента, состоящего из водородного и кислородного электродов, в растворе с рН=11?

Ответ: 1,23 В.

 

13. Вычислите ЭДС гальванического элемента Zn|ZnCl2(0,2н)||(0,01M)CuSO4|Cu при температуре 25 °С.

Ответ:1,0685 В.

 

14. Какой должна быть концентрация ионов серебра в растворе, чтобы гальванический элемент

Pb|Pb(NO3)2(0,02н)||(x моль/л)AgNO3|Ag

при температуре 25 °С давал ЭДС = 0,984 В?

Ответ: 1 моль/л.

 



15.Вычислите ЭДС гальванического элемента

Al|Al2(SO4)3(0,05M)||(0,01M)NiSO4|Ni

при температуре 25 °С.

Ответ: 1,387 В.

 

16. ЭДС концентрационного гальванического элемента, составленного из двух никелевых электродов, при температуре 25 °С равна 0,059 В. Концентрация ионов никеля в растворе около отрицательного электрода равна 0,001 моль/л. Определите концентрацию ионов никеля около положительного электрода.

Ответ: 0,1 моль/л.

 

17. ЭДС цепи Zn|ZnSO4(0,1н)||(x н)CuSO4|Cu равна 1,1275 В при температуре 25 °С. Определите концентрацию ионов меди и молярную концентрацию эквивалентов сульфата меди, если a=0,5.

Ответ: 0,5 М; 2,0 н.

 

18. Какой должна быть концентрация ионов олова в растворе, чтобы гальванический элемент Zn|ZnSO4||SnSO4|Sn при Сэк(Zn2+)=0,02 моль/л давал ЭДС = 0,655 В при температуре 25 °С?

Ответ: 0,1 М.

 

19. Вычислите ЭДС гальванического элемента Zn|ZnSO4(0,01M)||(0,2н)CuSO4|Cu при температуре 25 °С.

Ответ:1,1275 В.

 

20. Вычислите ЭДС гальванического элемента

Mn|MnSO4(0,1M)||(0,2н)ZnSO4|Zn при температуре 25 °С.

Ответ: 0,419 В.

 

21. Какой должна быть концентрация ионов цинка в растворе, чтобы элемент Mg|MgCl2||ZnCl2|Zn при Сэк(Mg2+)=0,2 моль/л давал при температуре 25 °С ЭДС = 1,602 В?

Ответ: 0,1 М.

 

22. Вычислить ЭДС гальванического элемента Al|Al2(SO4)3(0,003н)||(0,1M)NiSO4|Ni при температуре 25 °С.

Ответ: 1,436 В.

 

23. Какова ЭДС гальванического элемента при температуре 25 °С, состоящего из водородного электрода в растворе с рН=3 и кислородного электрода в растворе с рН=12?

Ответ: 0,699 В.

 

24. Какова ЭДС гальванического элемента при температуре 25 °С, состоящего из водородного электрода в растворе с рН=5 и медного электрода в 0,1М растворе сульфата меди?

Ответ: 0,6025 В.

 

25. Какова ЭДС гальванического элемента при температуре 25 °С, состоящего из кислородного электрода в растворе с рН=5 и медного электрода в 0,1М растворе сульфата меди?

 

Ответ: 0,6275 В.

 

26. ЭДС гальванического элемента, образованного никелем, погруженным в 0,0001М раствор его соли, и серебром, погруженным в раствор его соли, равна 1,108 В. Определите молярную концентрацию ионов Ag+ в растворе его соли.

Ответ: 0,173 моль/л.

 

27. Вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного магнием и цинком, погруженными в растворы их солей с концентрациями ионов Mg2+ и Zn2+ 1,8·10-5М и 2,5·10-2М соответственно.

Ответ: 1,695 В.

 

28. Вычислите ЭДС гальванического элемента

Mg|MgSO4(0,02н)||(0,002н)Pb(NO3)2|Pb

при температуре 25 °С.

Ответ: 2,2075 В.

 

29. Вычислите ЭДС гальванического элемента

Al|AlCl3(0,001M)||(0,01M)CuSO4|Cu при температуре 25 °С.

Ответ: 1,999 В.

 

30. Какова ЭДС гальванического элемента, состоящего из водородного и кислородного электродов в растворе с рН=7 при температуре 25 °С.

Ответ: 1,23 В.

 

Электролиз

Рабочая программа. Электролиз. Порядок протекания электродных реакций при электролизе. Количественные характеристики электролиза. Законы Фарадея. Выход по току. Применение электролиза. Поляризация электродов. Потенциал разложения. Перенапряжение при электролизе. Последовательность электродных процессов. Промышленные процессы электролиза расплава и раствора хлорида натрия, получения алюминия, рафинирования металлов.

Совокупность окислительно-восстановительных процессов, происходящих на погруженных в электролит электродах под действием электрического тока, носит название электролиз.

Электролиз проводят в специальных аппаратах, называемых электролизерами, состоящими из двух электродов и электролита. Электрод, подключенный к отрицательному полюсу внешнего источника тока, называется катодом. На катоде происходит реакция восстановления. Электрод, подключенный к положительному полюсу внешнего источника тока, называется анодом. На аноде происходит реакция окисления. Продукты электрохимического окисления и восстановления могут вступать во вторичные реакции между собой, с электролитом и материалом электродов.

Законы Фарадея.Количественные законы электролиза были установлены в 1834 г. Фарадеем.

Первый закон Фарадея: количество вещества, превращенного на электроде при электролизе, пропорционально количеству электричества, прошедшего через электролит.

Второй закон Фарадея: массы веществ, испытавших превращения на электродах при прохождении одного и того же количества электричества, относятся между собой как молярные массы их эквивалентов.

Оба закона могут быть объединены в следующей формуле:

, (8.18)

где m – масса, г; I – сила тока, А; Мэк(В) – молярная масса эквивалента вещества В в окислительно-восстановительной реакции; t – время, с; F– постоянная Фарадея, 96484,56 Кл.моль-1.

Постоянная Фарадея соответствует количеству электричества, необходимому для превращения 1 моль эквивалентов вещества, или иначе постоянная Фарадея есть количество электричества, соответствующее 1 моль электронов:

F = e. NA,

где е – заряд электрона; NA – постоянная Авогадро.

При электролизе нередко наблюдаются отклонения от законов Фарадея, что связано с протеканием вторичных или параллельных реакций, а также с явлением перенапряжения. Отношение массы продукта, реально полученного при электролизе, к массе, вычисленной по формуле (8.18), носит название выхода по току.

Пример 8.11.В растворе находится 0,1 моль HgCl2 и 0,2 моль CuCl2. Какие вещества и в каком количестве выделятся на угольных электродах, если через раствор пропускать ток силой 10 А в течение 1 часа?

Решение. Определяем количество протекающего электричества:

Q = It = 10×3600 = 36000 Кл.

Согласно законам Фарадея, при прохождении количества электричества, равного F (96500), выделится 1 моль (эквивалентов) вещества.

Находим количество моль (эквивалентов) каждого катиона: для ртути получим 0,2 моль эквивалентов (0,1×2 = 0,2), для меди – 0,4 моль эквивалентов (0,2×2 =0,4).

Порядок выделения на электродах определяется рядом активности металлов (стандартными электродными потенциалами).

В ряду активности ртуть стоит правее меди: у нее φ0 = 0,85 В, а у меди φ0 = 0,34 В, поэтому сначала будет выделяться ртуть, а затем медь.

На выделение 0,2 моль эквивалентов ртути понадобится 19300 Кл (96500×0,2 =19300), остальные 16700 Кл (3600 – 19300 = =16700) пойдут на выделение меди.

Это количество электричества может выделить 0,173 моль (эквивалентов) меди (16700/96500 =0,173).

Таким образом, пропущенный ток выделит полностью 0,2 моль (эквивалента) ртути и 0,173 моль (эквивалента) меди, всего 0,373 моль (эквивалентов).

Следовательно, столько же моль (эквивалентов) хлора выделится на аноде. В пересчете на массу это составит

Пример 8.12.При рафинировании меди ток силой 50 А выделяет за 10 часов 550 г меди. Вычислить выход меди по току.

Решение. Выход по току определяем как отношение количества вещества, полученного в данных условиях электролиза (m1), к количеству, теоретически вычисленному на основании закона Фарадея (m):

.

Через электролит пропущено количество электричества

Q = It = 50×10×60×60 = 1800000 Кл.

Молярная масса эквивалентов меди

Мэк(Cu) = 64/2 = 32 г/моль.

Согласно закону Фарадея, рассчитанное количество электричества должно выделить массу меди

В действительности же выделилось m1 = 550 г. Отсюда выход меди по току составит

.

Теоретически процесс электролиза должен протекать при разности потенциалов на электродах, превышающих ЭДС соответствующего гальванического элемента на бесконечно малую величину. Однако вследствие катодной поляризации потенциал катода становится более отрицательным, а из-за анодной поляризации потенциал анода становится более положительным, чем электродные потенциалы соответствующего гальванического элемента. Поэтому электролиз протекает обычно при разности потенциалов, превышающей разность потенциалов соответствующего гальванического элемента. Минимальная разность потенциалов, необходимая для осуществления процесса электролиза, называется потенциалом разложения. Разность между потенциалом разложения и ЭДС соответствующего гальванического элемента называется перенапряжением при электролизе.

Перенапряжение при электролизе снижает выход по току, т.е. КПД процесса. Снизить перенапряжение при электролизе можно уменьшением сопротивления электродов и электролита, повышением температуры, уменьшением расстояния между электродами, увеличением поверхности электродов, увеличением концентрации реагентов, уменьшением силы тока, перемешиванием, а также применением электродов-катализаторов.

Пример 8.13. Какие процессы будут протекать при электролизе сульфата марганца (II) с графитовыми катодом и анодом?

Решение. На катоде возможно протекание следующих реакций:

1)

2)

3)

Концентрация ионов водорода в нейтральном растворе очень мала, поэтому процесс (2) во внимание не принимают. Перенапряжение выделения водорода на графитовом электроде составляет 0,65 В. С учетом перенапряжения величина электродного потенциала для процесса (3) составит -1,079В (-0,414 – 0,65 =-1,079). Следовательно, на катоде будет происходить выделение водорода.

На аноде возможны следующие реакции:

1)

2)

Перенапряжение выделения кислорода на графитовом электроде составляет 1,17 В. С учетом перенапряжения величина электродного потенциала для процесса (5) составит 1,998 В (0,828 + 1,17 = 1,998). Следовательно, на катоде будет происходить выделение кислорода.

Последовательность электродных процессов.Если в электролите присутствуют несколько видов частиц, то возможно протекание нескольких электродных реакций.

На катоде, в первую очередь, протекает процесс восстановления наиболее сильного окислителя, т.е. окислителя с наиболее положительным потенциалом. Последовательность восстановления окислителей можно оценить на основе значений стандартных восстановительных потенциалов соединений. Однако следует помнить, что стандартные восстановительные потенциалы относятся к вполне определенным условиям и к тому же потенциалы разложения отличаются от электродных потенциалов на величину перенапряжения при электролизе, которая является функцией многих переменных. Например, целый ряд окислителей (Pb2+, Sn2+, Ni2+ , Co2+ и др.) имеют отрицательные значения стандартных восстановительных потенциалов, т.е. являются более слабыми окислителями, чем Н+. Тем не менее из-за более высокого перенапряжения выделения водорода ионы этих металлов могут восстанавливаться при электролизе водных растворов до ионов водорода и выделяться на катоде.

На аноде, в первую очередь, протекает процесс окисления наиболее сильного восстановителя, т.е. восстановителя с наиболее отрицательным потенциалом. Если материал анода имеет потенциал более отрицательный, чем потенциал окисления гидроксид-ионов до свободного кислорода, то происходит растворение анода и эта разновидность электролиза называется электролизом с растворимым анодом. В качестве нерастворимых анодов используют материалы с большими положительными восстановительными потенциалами (Pt, Au, C) или металлы с высокими значениями анодной поляризации (Ta, Ti, Fe в щелочной среде и др.). При определении последовательности окисления восстановителей на аноде следует учитывать ранее рассмотренные факторы.

Рассмотрим некоторые примеры процессов электролиза.

Электролиз расплава хлорида натрия. Электролизу подвергается расплав хлорида натрия с добавлением хлорида кальция. Это позволяет понизить температуру плавления NaCl с 804 до 600оС и тем самым снизить расход энергии. В процессе электролиза на электродах протекают следующие реакции:

катод: 2 Na+ +2e- → 2Na(ж),

анод: 2Cl- -2e- → Cl2(г).

Электролитическое получение алюминия. Исходным соединением является Al­2O3. Оксид алюминия плавится при 2050оС. Поэтому электролизу подвергают раствор Al­2O3 в расплавленном криолите (Na3[AlF6]) при 950оС. В качестве материала анода используют графитовые стержни, а катодом служит железо, из которого изготавливается электролизная ванна. На электродах протекают следующие реакции:

катод: Al3+ +3e- → Al,

анод: C + 2O2- -4e- → CO2.

Материал анода в процессе электролиза расходуется.

Электролиз водного раствора хлорида натрия. В растворе присутствуют ионы Na+, H3O+, Cl- и ОН-. На катоде возможно протекание одного из трех процессов:

1) Na+ + e- → Na, ;

2) 2H3O+ +2e- → 2H2 + H2O, ;

3) 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- ,

Наибольшее значение восстановительного потенциала отвечает второй реакции, однако из-за малой концентрации ионов гидроксония в растворе реально протекает третья реакция и на катоде выделяется водород.

На аноде возможны процессы:

1) 2Cl→ Cl2 +2e- , ;

2) 2H2O → O2 + 4H+ +4e-,

Потенциал второй реакции меньше, но перенапряжение этого процесса значительно больше, чем первой реакции, и по этой причине на аноде выделяется хлор. В результате электролиза в растворе накапливаются ионы натрия и гидроксид-ионы, поэтому продуктами процесса будут водород, хлор и гидроксид натрия.

Электролитическое рафинирование металлов. Многие металлы, получаемые химическим восстановлением природных минералов, подвергаются электролитическому рафинированию (очистке) в целях получения металлов высокой чистоты. Обычно используют электролиз с растворимыми анодами.

Черновая медь содержит в значительных количествах примеси Au, Ag, Se, Fe, Te, Ni, Zn и др. В процессе электролиза на аноде происходит растворение меди и металлов с меньшими восстановительными потенциалами, чем у меди (Zn, Ni, Fe и др.). Элементы с большими восстановительными потенциалами, чем у меди (Au, Ag, Se, Te и др.), не растворяются и образуют осадок (шлам). На катоде при напряжении, соответствующем потенциалу выделения меди, происходит осаждение чистой меди, а металлы с меньшими восстановительными потенциалами остаются в растворе.

Пример 8.14.Какие металлы перейдут в шлам при рафинировании меди электролизом, если медный анод содержит примеси Ni, Fe, Pb, Ag и Au?

Решение. При рафинировании анодом служит очищаемый металл. На аноде растворяются основной металл и примеси, потенциал которых отрицательнее потенциала основного металла.

Значения стандартных потенциалов вышеперечисленных металлов следующие:

 

Металл Сu2+/Cu Ni2+/Ni Fe2+/Fe Pb2+/Pb Ag+/Ag Au+/Au
0,34 В -0,25 В -0,44 В -0,13 В 0,80 В 1,69 В

 

Следовательно, на аноде будут растворяться Fe, Ni, Pb, Cu. Примеси, имеющие более положительный потенциал, чем у меди, выпадают из анода в виде шлама, т.е. в виде частиц металла.

В растворе оказались ионы Cu2+, Ni2+, Fe2+ и Pb2+. На катоде (-) в первую очередь будет осаждаться металл с более положительным потенциалом, т.е. медь.

Таким образом, на катоде будет осаждаться чистая медь, серебро и золото перейдут в шлам, а никель, железо и свинец перейдут в раствор в виде ионов.

Помимо получения металлов и ряда неметаллов (F2, Cl2, H2) электролиз используется в производстве многих химических соединений (MnO2, KMnO4, Na2S2O8, H2O2 и др.) для нанесения металлических покрытий (меднение, никелирование, хромирование и т.д.) и для электрохимической обработки металлов и сплавов.

 

Вопросы и задачи для самостоятельной подготовки

1. Сформулируйте законы Фарадея. Запишите аналитическое выражение законов.

2. Через раствор сульфата некоторого металла пропускали ток силой 6 А в течение 45 мин, в результате чего на катоде выделилось 5,49 г металла. Вычислите молярную массу эквивалентов металла.

Ответ: 32,7 г/моль.

3. Через водный раствор сульфата натрия пропускают ток силой 5 А в течение 2 ч. Какая масса воды подвергнется превращению?

Ответ:3,36 г.

4. Через раствор сульфата кадмия пропускали ток силой 10 А в течение 1 часа. Найдите массу выделившегося кадмия, если выход по току составляет 90 %.

Ответ:18,87 г.

5. При электролизе водного раствора нитрата меди током силой 6 А в течение 30 мин выделилось 3,38 г меди. Определите выход по току для меди.

Ответ: 94,9 %.

6. Какие вещества образуются при электролизе раствора хлорида железа (II) с угольными электродами?

7. Какие процессы будут протекать при электролизе раствора серной кислоты с графитовым катодом и платиновым анодом? Перенапряжение выделения водорода на графите- 0,65 В, кислорода на платине -0,7 В.

8. Какими факторами определяется последовательность восстановления окислителей на катоде и окисления восстановителей на аноде?

9. Укажите последовательность восстановления катионов при постепенном повышении напряжения на электродах в растворе, содержащем следующие ионы: Pb2+, Fe3+, Ni2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Hg2+.

10. При электролизе водных растворов каких солей на катоде выделяется металл: а) CuSO4; б) K2SO4; в) CaSO4; г) AgNO3?

11. При электролизе водных растворов каких солей у анода окисляется вода:а) KCl; б) K2S; в) NaNO3; г) Na2SO4?

12. Опишите химические процессы, протекающие при электролизе расплава хлорида натрия.

13. Опишите химические процессы, протекающие при электролитическом получении алюминия.

14. Опишите химические процессы, протекающие при электролизе водного раствора хлорида натрия.

15. Опишите химические процессы, протекающие при электролитической очистке меди.





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...