Примеры решения задач
Пример 1. Какая масса меди выделится на катоде при электролизе раствора хлорида меди в течение 2 ч при силе тока 5 А?
Решение: Согласно I закону Фарадея:
Молярная масса эквивалента меди в CuCl2 равна 63,54/2 = 31,77 г/моль.
Подставив в формулу (4.1) значения Mэ = 31,77 г/моль; I = 5 А; τ = 2 ч = 7200 с, получим
г
Пример 2. Чему равна сила тока при электролизе раствора в течение 1 ч 40 мин 25 с, если на катоде выделилось 1,4 л водорода (н.у.)?
Решение: Из формулы (4.2) выразим силу тока:
или
,
гдеVэ
– эквивалентный объем газа.
Эквивалентный объем водорода при нормальных условиях равен половине молярного объема 22,4/2 = 11,2 л.
Подставив в приведенную формулу значения VH2 = 1,4 л;Vэ(H2)= 11,2 л;
τ = 1 ч 40 мин 25 с = 6025 с, получим:
А
Пример 3. В течение какого времени необходимо пропускать ток силой 2 А через раствор сульфата цинка, чтобы на катоде выделилось 10 г металла, если выход по току составляет 70%?
Решение: Используя формулы (4.4) и (4.1), выразим mПР и τ:
;
;
Подставив в приведенную формулу значения η = 70%; F = 96500 Кл;
mПР = 10 г; Mэ(Zn) = 65,38/2 = 32,69 г/моль; I = 2 A, находим
4.2 Экспериментальная часть
Цель работы: рассмотреть последовательность протекания процессов на электродах при электролизе водных растворов электролитов с растворимым и нерастворимым анодом.
Оборудование и реактивы: электролизер; выпрямитель ВСП-12; графитовые электроды; медный электрод. Растворы: нитрата калия (KNO3), 2%; иодида калия (KI), 0,2М; хлорида (сульфата) цинка (ZnCl2 (ZnSO4)), 5%; сульфата меди (CuSO4), 2%; серной кислоты (H2SO4), 2н. Лакмус 1%; фенолфталеин; крахмал.
ОПЫТ 1. Электролиз раствора нитрата калия
Лабораторная установка для электролиза представлена на рисунке 4.4:
Рисунок 4.4 Лабораторная установка для электролиза
В электролизер (U-образный сосуд) (1) налить ¾ объема раствора нитрата калия и добавить в оба колена сосуда несколько капель раствора лакмуса, опустить в раствор графитовые (инертные) электроды (2) и с помощью проводов присоединить их к выпрямителю тока (3) (см. рисунок 4.4). Пропускать ток в течение 3-5 минут. Наблюдать изменение окраски раствора в катодном и анодном пространстве.
Написать уравнения реакций, происходящих на катоде и аноде. Какие побочные продукты электролиза образуются? Электролиз солей каких металлов подобен электролизу раствора KNO3?
ОПЫТ 2. Электролиз раствора иодида калия
В электролизер налить раствор иодида калия, прибавить в оба колена сосуда по 3-4 капли фенолфталеина и опустить графитовые электроды. Пропустить ток. Наблюдать выделение пузырьков газа и окрашивание раствора у катода. К раствору в анодной части прибавить несколько капель раствора крахмала. Отметить наблюдения. Составить схему электролиза раствора KI.
ОПЫТ 3. Электролиз хлорида (сульфата) цинка
В электролизер налить раствор соли, погрузить угольные электроды и пропустить ток. Отметить выделение соответствующего газа на аноде и образование светло-серого осадка на катоде. Составить схему электролиза раствора соли цинка.
ОПЫТ 4. Электролиз раствора сульфата меди
В электролизер с раствором сульфата меди (CuSO4) опустить графитовые электроды и проводить электролиз в течение нескольких минут. Что наблюдается? Какие вещества выделяются на катоде и аноде? Составить уравнения реакций, протекающих на электродах.
Катод, покрытый медью, оставить для следующего опыта.
ОПЫТ 5. Электролиз с растворимым анодом
а) В электролизер налить раствор серной кислоты, в качестве катода взять графитовый электрод, в качестве анода – графитовый электрод, покрытый медью из предыдущего опыта и проводить электролиз в течение 3-5 минут. Отметить выделение газов на катоде и аноде. Что происходит с медью на аноде?
б) В электролизер с раствором серной кислоты опустить графитовый катод и медный анод. Провести электролиз и отметить выделение соответствующих продуктов на катоде и аноде. Составить схему электролиза раствора серной кислоты с растворимым анодом.