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, E⁰_Ag⁺_/Ag⁰ = + 0,80 В,

E⁰_Zn²⁺_/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 SO₄^2-, Cl^- , S^2-, 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):

E⁰S₂O₈^2-/2SO₄^2-- = + 2,01 В , E⁰Cl₂⁰/2Cl^─ = + 1,36 B,

E⁰S^2-/S⁰ = + 0,45 В, E⁰(E_½о_2,2н⁺/н₂о) = + 0,82 В .

Первыми, как видно, окисляются ионы S^2- 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 SO₄^2- 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⁺ + SO₄^2-,

в растворе, следовательно, присутствуют

катионы Na⁺, анионы SO₄^2- и молекулы H₂O.

Возможные участники электродного процесса:

на катоде (─) на аноде (+)

Na⁺ (E⁰_Na⁺_/Na⁰ = - 2,71 В), H₂O (E_½о_2,2н⁺/н₂о) = + 0,82 В),

H₂O (E⁰н₂о/½н₂,он^- = - 0,41 В), SO₄^2- (E⁰s₂o₄^2-/2so₄^2-) = + 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, SO₄^2- и Cu⁰, но так как потенциал окисления меди более отрицателен (менее положителен) (Е⁰_Cu²⁺/_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;

M_э – молярная масса эквивалента вещества, моль/л.

Отсюда

Молярная масса эквивалента натрия равна его молярной массе:

М_эNa = 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;

M_э – молярная масса эквивалента вещества, моль/л.

Молярная масса эквивалента меди равна М_эCu = г/моль,

M_эCu = 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.