Электролиз расплавов | Дистанционные уроки

ЭЛЕКТРОЛИЗ

 
Одним из способов получения
металлов является электролиз. Активные
металлы встречаются в природе только в
виде химических соединений. Как
выделить из этих соединений в
свободном состоянии?

Растворы
и расплавы электролитов проводят
электрический ток. Однако при
пропускании тока через раствор
электролита могут происходить
химические реакции. Рассмотрим, что
будет происходить, если в раствор или
расплав электролита поместить две
металлические пластинки, каждая из
которых соединена с одним из полюсов
источника тока. Эти пластинки
называются электродами. Электрический
ток представляет собой движущийся
поток электронов. В результате того,
что электроны в цепи движутся от одного
электрода к другому, на одном из элек­тродов
возникает избыток электронов.
Электроны имеют отри­цательный заряд,
поэтому этот электрод заряжается
отрицатель­но. Его называют катодом. На
другом электроде создается не­достаток
электронов, и он заряжается
положительно. Этот элек­трод называют
анодом. Электролит в растворе или
расплаве диссоциирует на положительно
заряженные ионы — катионы и
отрицательно заряженные ионы — анионы.
Катионы притягива­ются к отрицательно
заряженному электроду — катоду. Анионы
притягиваются к положительно
заряженному электроду — аноду. На
поверхности электродов может
происходить взаимодействие между
ионами и электронами.

Электролизом
называются процессы, происходящие при
пропускании через растворы или
расплавы электролитов электрического
тока.

Процессы,
происходящие при электролизе
растворов и рас­плавов электролитов,
достаточно сильно отличаются. Рассмот­рим
подробно оба этих случая.

Электролиз
расплавов

В
качестве примера рассмотрим
электролиз расплава хлори­да натрия. В
расплаве хлорид натрия диссоциирует на
ионы Na
и Cl^—:                                               
NaCl
= Na
Cl^—

Катионы
натрия перемещаются к поверхности
отрицательно заряженного электрода —
катода. На поверхности катода имеется
избыток электронов. Поэтому происходит
передача электронов от поверхности
электрода к ионам натрия. При этом ионы Na
превращаются в атомы натрия, то есть
происходит восстановле­ние катионов Na .
Уравнение процесса:

Na
е^— = Na

Хлорид-ионы
Cl^—
перемещаются к поверхности
положительно заряженного электрода —
анода. На поверхности анода создан
недостаток электронов и происходит
передача электронов от анионов Cl^—
к поверхности электрода. При этом
отрицательно заряженные ионы Cl^—
превращаются в атомы хлора, которые
сразу же соединяются в молекулы хлора Сl₂:

2Сl^—-2е^—
= Cl₂

Хлорид-ионы
теряют электроны, то есть происходит их
окисле­ние.

Запишем
вместе уравнения процессов,
происходящих на ка­тоде и аноде

Na
е^—
= Na

2Сl^—-2е^— 
=
Cl₂

В
процессе восстановления катионов
натрия участвует один электрон, а в
процессе окисления ионов хлора — 2
электрона. Однако должен соблюдаться
закон сохранения электрического
заряда, то есть общий заряд всех частиц
в растворе должен быть постоянным
Следовательно, число электронов,
участвующих в восстановлении катионов
натрия, должно быть равно числу
электронов, участвующих в окислении
хлорид-ионов Поэтому первое уравнение
умножим на 2:

        
Na
е^— = Na                        
2

2Сl^—-2е^—  = Cl₂                       
1

Сложим вместе оба уравнения и получим
общее уравнение ре­акции.

2Na
2Сl^—
= 2Na
Cl₂
(ионное уравнение реакции), или

2NaCl
= 2Na
Cl₂
(молекулярное уравнение реакции)

Итак,
на рассмотренном примере мы видим, что
электролиз является окислительно-восстановительной
реакцией. На катоде происходит
восстановление положительно
заряженных ионов — катионов, на аноде
окисление отрицательно заряженных
ионов – анионов. Запомнить, какой
процесс где происходит, можно с помощью
«правила Т»:

 каТод
— каТион – воссТановление.

Пример 2. Электролиз
расплава гидроксида натрия.

Гидроксида
натрия в растворе диссоциирует на
катионы  и 
гидроксид-ионы .

Катод
(-) <— Na
OH^—à
Анод ( )                           

На
поверхности катода происходит
восстановление катионов натрия, при
этом образуются атомы натрия:

катод
(-)  Na
e à
Na

На
поверхности анода окисляются
гидрокисд-ионы, при этом выделяется
кислород и образуются молекулы воды:

анод
( )  4OH^—
– 4eà
2H₂O
O₂

Запишем
вместе уравнения процессов,
происходящих на катоде и аноде:

катод
(-)  Na
eàNa                           

анод
( )  4OH^—
– 4eà
2H₂O
O₂                       

Число
электронов, участвующих в реакции
восстановления катионов натрия и в
реакции окисления гидроксид-ионов,
должно быть одинаковым. Поэтому
умножим первое уравнение на 4:        

катод
(-)  Na
eàNa                           
4

анод
( )  4OH^—
– 4eà
2H₂O
O₂                       
1

Сложим
вместе оба уравнения и получим
уравнение реакции электролиза:

4NaOHà
4Na
2H₂O
O₂

Пример
3. Рассмотрим
электролиз расплава Al₂O₃

При
помощи этой реакции получают алюминий
из боксита – природного соединения, в
котором содержится много оксида
алюминия. Температура плавления оксида
алюминия очень высокая (более 2000º С),
поэтому к нему добавляют специальные
добавки, понижающие температуру
плавления до 800-900º С. В расплаве оксид
алюминия диссоциирует на ионы Al³
и O^2-.Hа
катоде восстанавливаются катионы Al³ ,
превращаясь в атомы алюминия:

Al
3eàAl

На
аноде окисляются анионы O^2-,
превращаясь в атомы кислорода. Атомы
кислорода сразу же соединяются в
молекулы О₂:

2O^2-
– 4eàO₂

Число
электронов, участвующих в процессах
восстановления катионов алюминия и
окисления ионов кислорода, должно быть
равно, поэтому умножим первое
уравнение на 4, а второе на 3:

Al³
3eàAl⁰          4

2O^2-
– 4eàO₂       3

Сложим
оба уравнения и получим общее
уравнение электролиза:

4Al³
6O^2-
à
4Al⁰
3O₂⁰
(ионное уравнение реакции)

2Al₂O₃à
4Al
3O₂

Электролиз
растворов

В
случае пропускания электрического
тока через водный раствор электролита
дело осложняется тем, что в растворе
при­сутствуют молекулы воды, которые
также могут взаимодейство­вать с
электронами. Вспомним, что в молекуле
воды атомы во­дорода и кислорода
связаны полярной ковалентной связью.
Электроотрицательность кислорода
больше, чем электроотрица­тельность
водорода, поэтому общие электронные
пары смещены к атому кислорода. На
атоме кислорода возникает частичный
отрицательный заряд, его обозначают
δ-, а на атомах водорода -частичный
положительный заряд, его обозначают
δ .

_δ

Н-О
_δ-

 
│

 
Н _δ

Благодаря
такому смещению зарядов молекула воды
имеет положительный и отрицательный
«полюса». Поэтому молекулы воды
могут положительно заряженным полюсом
притягиваться к отрицательно
заряженному электроду — катоду, а
отрицатель­ным полюсом — к
положительно заряженному электроду —
ано­ду. На катоде может происходить
восстановление молекул воды, при этом
выделяется водород:

2H₂О
2е^— = H₂
2ОН^—

На
аноде может происходить окисление
молекул воды с выде­лением кислорода:

2
H₂О
— 4е^— = 4Н О₂

Поэтому
на катоде могут восстанавливаться либо
катионы элек­тролита, либо молекулы
воды. Эти два процесса как бы конку­рируют
между собой. Какой процесс в
действительности проис­ходит на
катоде, зависит от природы металла.
Будут ли на като­де восстанавливаться
катионы металла или молекулы воды, за­висит
от положения металла в ряду
напряжений металлов.

Li
K Na Ca Mg Al ¦¦ Zn Fe Ni Sn Pb (H₂) ¦¦ Cu Hg Ag Au

Если
металл находится в ряду напряжений
правее водорода, на катоде
восстанавливаются катионы металла и
выделяется свободный металл. Если
металл находится в ряду напряжений
левее алюминия, на катоде
восстанавливаются молекулы воды и
выделяется водород. Наконец, в случае
катионов металлов от цинка до свинца
может происходить либо выделение
металла, либо выделение водорода, а
иногда одновременно выделяются и
водород, и металл. Вообще это довольно
сложный случай, мно­гое зависит от
условий реакции: концентрации раствора,
сипы электрического тока и других.

На
аноде также может происходить один из
двух процессов — либо окисление анионов
электролита, либо окисление молекул
воды. Какой именно процесс будет
протекать на самом деле, зависит от
природы аниона. При электролизе солей
бескислородных кислот или самих кислот
на аноде окисляются анионы.
Единственным исключением является
фторид-ион F ^—.
В случае кислородсодержащих кислот на
аноде окисляются молекулы воды и
выделяется кислород.

Пример 1.
Давайте рассмотрим электролиз водного
раствора хлорида натрия.

В
водного растворе хлорида натрия будут
находиться катионы натрия Na
, анионы хлора Cl^— 
и молекулы воды.

2NaClà
2Na
2Cl^—

2Н₂О
à
2H
2OH—

катод
(-) 2Na ;
2H ;
2Н 2е à
Н⁰₂

анод
( ) 2Cl^—;
2OH^—;
2Cl^—
– 2еà
2Cl⁰

2NaCl
2H₂O à
H₂ Cl₂ 2NaOH

Химическая
активностьанионов в  ряду уменьшается.

Пример 2.
А если в состав соли входит SO₄^2-?
Рассмотрим электролиз раствора
сульфата никеля (II).
Сульфата никеля (II)
диссоциирует на ионы Ni²
и SO₄^2-:

NiSO₄àNi²
SO₄^2-

H₂OàH
OH^—

Катионы
никеля находятся между ионами металлов 
Al³
и  Pb² ,
занимающих в ряду напряжения среднее
положение, процесс восстановления на
катоде происходит по обеим схемам:

катод
(-) Ni² ;
H ;        
Ni²
2е àNi⁰

                 
     
2H₂О
2е^— = H₂
2ОН^—

Анионы
кислородсодержащих кислот не
окисляются на аноде (ряд
активности анионов), происходит
окисление молекул воды:

анод
( ) SO₄^2-; OH^—;   
2H₂O – 4еà
O₂ 4H

Запишем
вместе уравнения процессов,
происходящих на катоде и аноде:

катод
(-) Ni² ;
H ;        
Ni²
2е àNi⁰

                 
     
2H₂О
2е^— = H₂
2ОН^—

анод
( ) SO₄^2-; OH^—;   
2H₂O – 4еà
O₂ 4H

В
процессах восстановления участвуют 4
электрона и в процессе окисления тоже
участвуют 4 электрона. Сложим вместе
эти уравнения и получим общее
уравнение реакции:

Ni²
2H₂О
2H₂ОàNi⁰
H₂
2ОН^— O₂
4H

В
правой части уравнения находятся
одновременно ионы Н и OH^—,
которые соединяются с образованием
молекул воды:

Н
OH^—à
H₂О

Поэтому
в правой части уравнения вместо 4 ионов
Н и 2 ионов OH^—запишем
2 молекулы воды и 2 иона Н :

Ni²
2H₂О
2H₂ОàNi⁰
H₂
2H₂О
O₂
2H

Сократим
по две молекулы воды в обеих частях
уравнения:

Ni²
2H₂О
àNi⁰
H₂
O₂
2H

Это
краткое ионное уравнение. Чтобы
получить полное ионное уравнение,
нужно добавить в обе части по сульфат-иону
SO₄^2-,
образовавшиеся при диссоциации
сульфата никеля (II)
и не участвовавшие в реакции:

Ni²
SO₄^2- 2H₂Оà
Ni⁰ H₂ O₂ 2H SO₄^2-

Таким
образом, у нас при электролизе раствора
сульфата никеля (II)
на катоде выделяется 
водород и никель, а на аноде –
кислород.

NiSO₄
2H₂O à
Ni H₂ H₂SO₄ O₂   

Пример 3.
Написать уравнения процессов,
происходящих при электролизе водного
раствора сульфата натрия с инертным
анодом.

 Стандартный
электродный потенциал системы Na
e
= Na0
значительно отрицательнее потенциала
водного электрода в нейтральной водной
среде (-0,41 В).Поэтому на катоде будет
происходить электрохимическое
восстановление воды, сопровождающееся
выделением водорода

                                              
2Н₂О à
2H
2OH^—

а
ионы Na
, приходящие к катоду, будут
накапливаться в прилегающей к нему
части раствора (катодное пространство).

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

                                              
2H₂O
– 4еàO2
4H

поскольку
отвечающий этой системе стандартный
электродный потенциал(1,23 В)
значительно ниже, чем стандартный
электродный потенциал (2,01 В),
характеризующий систему

2SO₄^2-
2e
= S₂O₈^2-.

Ионы
SO₄^2-,
движущиеся при электролизе к аноду,
будут накапливаться в анодном
пространстве.

Умножая
уравнение катодного процесса на два, и
складывая его с уравнением анодного
процесса, получаем суммарное уравнение
процесса электролиза:

6H₂O
= 2H₂
4OH^—
O₂
4H

Приняв
во внимание, что одновременно
происходит накопление ионов в катодном
пространстве и ионов в анодном
пространстве, суммарное уравнение
процесса можно записать в следующей
форме:

6H₂O
2Na₂SO₄ = 2H₂ 4Na 4OH^—
O₂ 4H 2SO₄^2-             

Таким
образом, одновременно с выделением
водорода и кислорода образуется
гидроксид натрия (в катодном
пространстве) и серная кислота (в
анодном пространстве).

Пример
4. Электролиз
раствора сульфата меди (II)
CuSO₄.

Катод
(-) <— Cu² SO₄^2-àанод
( )

катод
(-) Cu²
2e à
Cu⁰             
2                                      
                                

анод
( ) 2H₂O – 4еà
O₂ 4H       1 

В
растворе остаются ионы Н и SO₄^2-,
т. к. накапливается серная кислота.

2CuSO₄
2H₂O à
2Cu 2H₂SO₄ O₂

Пример
5.
Электролиз раствора хлорида меди (II)
CuCl₂.

Катод
(-) <— Cu² 2Cl^—àанод
( )

катод
(-) Cu²
2e à
Cu⁰                                                                                    

анод
( ) 2Cl^— – 2e à
Cl⁰₂

В
обоих уравнениях участвуют по два
электрона.

Cu²
2e à
Cu⁰     
1

2Cl^—
-– 2e à
Cl₂       
1

Cu²
2Cl^—àCu⁰
Cl₂
(ионное уравнение)

CuCl₂àCu
Cl₂
(молекулярное уравнение)

Пример
6.
Электролиз раствора нитрата серебра AgNO₃.

Катод
(-) <— Ag NO₃^—àАнод
( )

катод
(-) Ag e à
Ag⁰                                                                  
                

анод
( ) 2H₂O – 4еà
O₂ 4H

Ag
e à
Ag⁰                           
4

2H₂O
– 4еà
O₂ 4H             
  1

4Ag
2H₂Oà
4Ag⁰
4H
O₂
(ионное уравнение)

4Ag
2H₂Oà
4Ag⁰
4H
O₂
4NO₃^—
(полное ионное уравнение)

4AgNO₃
2H₂Oà
4Ag⁰
4HNO₃
O₂
(молекулярное уравнение)

Пример 7.
Электролиз раствора соляной кислоты HCl.

Катод
(-) <— H
Cl^—à
анод ( )

катод
(-) 2H
2eàH₂                                                                                

анод
( ) 2Cl^—
– 2eàCl₂

2H
2Cl^—àH₂
Cl₂
(ионное уравнение)

2HClàH₂
Cl₂
(молекулярное уравнение)

Пример
8.
Электролиз раствора серной кислоты H₂SO₄.

Катод
(-) <— 2H SO₄^2-àанод
( )

катод
(-) 2H
2e à
H₂                                                            
      

анод
( ) 2H₂O – 4еà
O₂ 4H

2H
2e à
H₂                
2

2H₂O
– 4еà
O₂ 4H     1

4H
2H₂O à
2H₂ 4H O₂

2H₂O
à
2H₂ O₂

Пример
9.Электролиз
раствора гидроксида калия KOH.

Катод
(-) <— K
OH^—à
анод ( )

Катионы
калия не будут восстанавливаться на
катоде, так как калий находится в ряду
напряжения металлов левее алюминия,
вместо этого будет происходить
восстановление молекул воды:

2H₂O
2e à
H₂ 2OH^—                     
4OH^— -4e à
2H₂O O₂

катод
(-) 2H₂O 2e à
H₂ 2OH^—      
2

анод
( ) 4OH^— — 4e à
2H₂O O₂       
1

4H₂O
4OH^—à
2H₂ 4OH^— 2H₂O O₂

2H₂Oà
2H₂
O₂

Пример
10.
Электролиз раствора нитрата калия 
KNO₃.

Катод
(-) <— K NO₃^—àанод
( )

2H₂O
2e à
H₂ 2OH^—                     
2H₂O – 4еà
O₂ 4H

катод
(-) 2H₂O 2e à
H₂ 2OH-       2

анод
( ) 2H₂O – 4еà
O₂ 4H          
1

4H₂O
2H₂O à
2H₂ 4OH^— 4H
O₂

2H₂O
à
2H₂ O₂

 При
пропускании электрического тока через
растворы кислородосодержащих кислот,
щелочей и солей кислородсодержащих
кислот с металлами, находящимися в ряду
напряжения металлов, левее алюминия,
практически происходит электролиз
воды. При этом на катоде выделяется
водород, а на аноде кислород. 

Выводы.
При определении продуктов электролиза
водных растворов электролитов можно в
простейших случаях руководствоваться
следующими соображениями:

1.   
Ионы металлов с малой
алгебраической величиной стандартного
потенциала – от Li
до Al³
включительно – обладают весьма слабой
тенденцией к обратному присоединению
электронов, уступая в этом отношении
ионам H
(см. Ряд активности катионов). При
электролизе водных растворов
соединений, содержащих эти катионы,
функцию окислителя на катоде выполняют
ионы H ,
восстанавливаясь при этом по схеме:

                                                 
2H₂O
2еàH₂
2OH^—

2.   
Катионы металлов с положительными
значениями стандартных потенциалов (Cu² ,
Ag ,
Hg² и
др.) обладают большой тенденцией к
присоединению электронов по сравнению
с ионами. При электролизе водных
растворов их солей функцию окислителя
на катоде выделяют эти катионы,
восстанавливаясь при этом до металла
по схеме, например:

             
Cu²
2eàCu⁰

3.   
При электролизе водных растворов
солей металлов Zn,
Fe,
Cd,
Ni
и др., занимающих в ряду напряжения
среднее положение между
перечисленными группами, процесс
восстановления на катоде происходит по
обеим схемам. Масса, выделившегося
металла не соответствует в этих
случаях количеству протекшего
электрического тока, часть которого
расходуется на образование водорода.

4.   
В водных растворах электролитов
функцию восстановителей по отношению к
аноду-окислитею могут одноатомные
анионы (Cl^—,
Br^—,
J^—),
кислородосодержащие анионы (NO₃^—,
SO₄^2-,
PO₄^3-
и другие), а также гидроксильные ионы
воды. Более сильными
восстановительными свойствами из них
обладают галогенид ионы, за
исключением F.
Ионы OH
занимают промежуточное положение
между ними и многоатомными анионами.
Поэтому при электролизе водных
растворов HCl,
HBr,
HJ
или их солеей на аноде происходит
окисление галогенид-ионов по схеме:

                                                           
2X^—
-2eàX₂0

При
электролизе водных растворов
сульфатов, нитратов, фосфатов и т.п.
функцию восстановителя выполняют ионы
, окисляясь при этом по схеме:

                                            
4HOH
– 4eà
2H₂O
O₂
4H

.

Задачи.

Задача
1. При электролизе раствора сульфата
меди на катоде выделилось 48 г меди.
Найдите объем газа, выде­лившегося на
аноде, и массу серной кислоты,
образовав­шейся в растворе.

Сульфат
меди в растворе диссоциирует ни ионы Си² и S0₄²‘.

CuS0₄ = Cu²
S0₄²«

Запишем
уравнения процессов, происходящих на
катоде и аноде. На катоде
восстанавливаются катионы Си , на аноде
происходит электролиз воды:

Cu² 2e- = Cu                          
12

2H₂0-4e- = 4H
0₂                           
|1

Общее
уравнение электролиза:

2Cu2
2H2O = 2Cu 4H O2 (краткоеионное уравнение)

Добавим
в обе части уравнения по 2 сульфат-иона,
которые об­разуются при диссоциации
сульфата меди, получим полное ион­ное
уравнение:

2Си2
2S042″ 2Н20 = 2Cu 4Н 2SO4^2′ О2

 Перепишем
уравнение в молекулярном виде:

2CuSO4
2H2O = 2Cu 2H2SO4 О2

Газ,
выделяющийся на аноде — кислород. В
растворе образуется серная кислота.

Молярная
масса меди равна 64 г/моль, вычислим
количество вещества меди:

По
уравнению реакции при выделении на
катоде 2 моль ме­ди ла аноде выделяется
1 моль кислорода. На катоде выделилось
0,75 моль меди, пусть на аноде выделилось
х моль кислорода. Составим пропорцию:

2/1=0,75/x  
, x=0,75*1/2=0,375моль

На
аноде выделилось 0,375 моль кислорода,

v(O2)
= 0,375 моль.

Вычислим
объем выделившегося кислорода:

V(O2)
= v(O2)«VM = 0,375 моль«22,4 л/моль = 8,4 л

По
уравнению реакции при выделении на
катоде 2 моль ме­ди в растворе
образуется 2 моль серной кислоты,
значит, если на катоде выделилось 0,75
моль меди, то в растворе образовалось
0,75 моль серной кислоты, v(H2SO4) = 0,75 моль.
Вычислим мо­лярную массу серной
кислоты:

M(H2SO4)
= 2-1 32 16-4 = 98 г/моль.

 Вычислим
массу серной кислоты:

m(H2S04)
= v(H2S04>M(H2S04) = = 0,75 моль«98 г/моль = 73,5 г.

Ответ:
на аноде выделилось 8,4 л кислорода; в
растворе образо­валось 73,5 г серной
кислоты

Задача
2. Найдите объем газов, выделившихся на
катоде и аноде, при электролизе водного
раствора, содержащего 111,75 г хлорида
калия. Какое вещество образовалось в
рас­творе? Найдите его массу.

Хлорид
калия в растворе диссоциирует на ионы 
К и Сl:

2КС1
=  К Сl

Ионы
калия не восстанавливаются на катоде,
вместо этого про­исходит
восстановление молекул воды. На аноде
окисляются хлорид-ионы и выделяется
хлор:

2Н2О
2е’ = Н2 20Н-  |1

2СГ-2е’
= С12       
|1

Общее
уравнение электролиза:

2СГl
2Н2О = Н2 2ОН» С12 (краткое ионное
уравнение) В растворе присутствуют
также ионы К , образовавшиеся при
диссоциации хлорида калия и не
участвующие в реакции:

2К
2Сl 2Н20 = Н2 2К 2ОН’ С12

Перепишем
уравнение в молекулярном виде:

2КС1
2Н2О = Н2 С12 2КОН

На
катоде выделяется водород, на аноде
хлор, в растворе обра­зуется гидроксид
калия.

В
растворе содержалось 111,75 г хлорида
калия.

 Вычислим
молярную массу хлорида калия:

М(КС1)
= 39 35,5 = 74,5 г/моль

Вычислим
количество вещества хлорида калия:

По
уравнению реакции при электролизе 2
моль хлорида ка­лия выделяется 1 моль
хлора. Пусть при электролизе 1,5 моль
хлорида калия выделяется х моль хлора.
Составим пропорцию:

                                        
2/1=1,5/x , x=1,5
/2=0,75 моль

Выделится
0,75 моль хлора, v(C!2) = 0,75 моль. По
уравнению реакции при выделении 1 моль
хлора на аноде на катоде выде­ляется 1
моль водорода. Следовательно, если на
аноде выделит­ся 0,75 моль хлора, то на
катоде выделится 0,75 моль водорода, v(H2) =
0,75 моль.

Вычислим
объем хлора, выделившегося на аноде:

                        
V(C12) = v(Cl2)-VM = 0,75 моль«22,4 л/моль = 16,8 л.

Объем
водорода равен объему хлора:

У(Н2)
= У(С12)=16,8л.

По
уравнению реакции при электролизе 2
моль хлорида ка­лия образуется 2 моль
гидроксида калия, значит, при электроли­зе
0,75 моль хлорида калия образуется 0,75
моль гидроксида калия. Вычислим
молярную массу гидроксида калия:

М(КОН)
= 39 16 1 — 56 г/моль.

 Вычислим
массу гидроксида калия:

                          
m(KOH) = v(KOH>M(KOH) = 0,75 моль-56 г/моль = 42 г.

Ответ:
на катоде выделилось 16,8 л водорода,
на аноде выдели­лось 16,8 л хлора, в
растворе образовалось 42 г гидроксида
калия.

Задача
3. При электролизе раствора 19 г хлорида
двух­валентного металла на аноде
выделилось 8,96 л хлора. Оп­ределите,
хлорид какого металла подвергли
электролизу. Вычислите объем водорода,
выделившегося на катоде.

Обозначим
неизвестный металл М, формула его
хлорида МС12. На аноде окисляются хлорид-ионы
и выделяется хлор. В условии сказано,
что на катоде выделяется водород,
следова­тельно, происходит
восстановление молекул воды:

2Н20
2е- = Н2 2ОH  |1

2Cl
-2е» = С12       
! 1

Общее
уравнение электролиза:

                                   
2Сl 2Н2О = Н2 2ОН» С12 (краткое
ионное уравнение)

 В
растворе присутствуют также ионы М2 ,
которые при реакции не изменяются.
Запишем полное ионное уравнение
реакции:

2СГ
М2 2Н2О = Н2 М2 2ОН- С12

 Перепишем
уравнение реакции в молекулярном виде:

МС12
2Н2О — Н2 М(ОН)2 С12

Найдем
количество вещества выделившегося на
аноде хлора:

По
уравнению реакции при электролизе 1
моль хлорида не­известного металла
выделяется 1 моль хлора. Если
выделилось 0,4 моль хлора, то
электролизу подвергли 0,4 моль хлорида
ме­талла. Вычислим молярную массу
хлорида металла:

Молярная
масса хлорида неизвестного металла 95 г/моль.
На два атома хлора приходится 35,5»2 = 71 г/моль.
Следовательно, молярная масса металла
равна 95-71 = 24 г/моль. Этой моляр­ной
массе соответствует магний.

По
уравнению реакции на 1 моль
выделившегося на аноде хлора
приходится 1 моль выделившегося на
катоде водорода. В нашем случае на
аноде выделилось 0,4 моль хлора, значит,
на катоде выделилось 0,4 моль водорода.
Вычислим объем водоро­да:

V(H2)
= v(H2>VM = 0,4 моль«22,4 л/моль = 8,96 л.

 Ответ:
электролизу подвергли раствор
хлорида магния; на като­де выделилось
8,96 л водорода.

*3адача
4. При электролизе 200 г раствора
сульфата ка­лия с концентрацией 15% на
аноде выделилось 14,56 л ки­слорода.
Вычислите концентрацию раствора по
окончании электролиза.

В
растворе сульфата калия и на катоде, и
на аноде реагиру­ют молекулы воды:

2Н20
2е’ = Н2 20Н-  |2

2Н2О
— 4е’ = 4Н О2   ! 1

Сложим
вместе оба уравнения:

6Н2О
= 2Н2 4ОН» 4Н О2, или

 6Н2О
= 2Н2 4Н2О О2, или

                              
2Н2О = 2Н2 02

Фактически
при электролизе раствора сульфата
калия происхо­дит электролиз воды.

Концентрация
растворенного вещества в растворе
определя­ется по формуле:

С=m(растворенного
вещества)
100% / m(раствора)

Чтобы
найти концентрацию раствора сульфата
калия по окончании электролиза,
необходимо знать массу сульфата калия
и массу раствора. Масса сульфата калия
при реакции не изменя­ется. Вычислим
массу сульфата калия в исходном
растворе. Обозначим концентрацию
исходного раствора Сь

m(K2S04)
= C2
(K2S04
)
m(pacтвора) = 0,15
200 г = 30 г.

Масса
раствора во время электролиза
изменяется, так как часть воды
превращается в водород и кислород.
Вычислим ко­личество вещества
выделившегося кислорода:

(O2
)=V(O2
) / Vм
=14,56л / 22,4л/моль=0,65моль

По
уравнению реакции из 2 моль воды
образуется 1 моль кислорода. Пусть 0,65
моль кислорода выделяется при разложе­нии
х моль воды. Составим пропорцию:

Разложилось
1,3 моль воды, v(H2O) = 1,3 моль.

Вычислим
мо­лярную массу воды:

М(Н2О)
=1-2 16=18 г/моль.

Вычислим
массу разложившейся воды:

m(H2O)
= v(H2O>M(H2O) = 1,3 моль* 18 г/моль = 23,4 г.

Масса
раствора сульфата калия уменьшилась на
23,4 г и стала равна 200-23,4 = 176,6 г. Вычислим
теперь концентрацию рас­твора
сульфата калия по окончании
электролиза:

С2
(K2
SO4
)=m(K2
SO4
)
100% / m(раствора)=30г
100% / 176,6г=17%

 Ответ:
концентрация раствора по окончании
электролиза равна 17%.

*3адача
5. 188,3 г смеси хлоридов натрия и калия
рас­творили в воде и пропустили через
полученный раствор электрический ток.
При электролизе на катоде выделилось
33,6 л водорода. Вычислите состав смеси в
процентах по массе.

После
растворения смеси хлоридов калия и
натрия в воде в растворе содержатся
ионы К , Na и Сl-. Ни ионы калия, ни ио­ны
натрия не восстанавливаются на катоде,
восстанавливаются молекулы воды. На
аноде окисляются хлорид-ионы и
выделяет­ся хлор:

               
2Н2О 2е’ = Н2 2ОН»  
] 1

   
2СГl-2е’ = С12   ! 1

Общее
уравнение электролиза:

             
2СГ 2Н2О = Н2 2ОН» С12 (краткое
ионное уравнение)

Полные
ионные уравнения реакций электролиза
хлорида натрия и хлорида калия.

                                
2К 2Cl
2Н20 = Н2 2К 2ОН
С12

                                                   
2Na 2С1
2Н20 = Н2 2Na 20Н
С12

 Перепишем
уравнения в молекулярном виде:

2КС1
2Н20 = Н2 С12 2КОН

                              
2NaCl 2Н2О = Н2 С12 2NaOH

Обозначим
количество вещества хлорида калия,
содержащегося в смеси, х моль, а
количество вещества хлорида натрия у
моль. По уравнению реакции при
электролизе 2 моль хлорида натрия или
калия выделяется 1 моль водорода.
Поэтому при электроли­зе х моль
хлорида калия образуется х/2 или 0,5х
моль водорода, а при электролизе у моль
хлорида натрия 0,5у моль водорода.
Найдем количество вещества водорода,
выделившегося при электролизе смеси:

Составим
уравнение:    0,5х
0,5у =1,5

Вычислим
молярные массы хлоридов калия и натрия:

                  
М(КС1) = 39 35,5 = 74,5 г/моль

                 
M(NaCl) = 23 35,5 = 58,5 г/моль

 Масса
х моль хлорида калия равна:

m(KCl)
= v(KCl)-M(KCl) = х моль-74,5 г/моль = 74,5х г.

 Масса
у моль хлорида натрия равна:

m(KCl)
= v(KCl)-M(KCl) = у моль-74,5 г/моль = 58,5у г.

 Масса
смеси равна 188,3 г, составим второе
уравнение:

74,5х
58,5у= 188,3

 Итак,
решаем систему из двух уравнений с
двумя неизвестными:

                                  
0,5(х у)= 1,5

                          
74,5х 58,5у=188,3г

 Из
первого уравнения выразим х:

                                        
х у= 1,5/0,5 = 3,

х
= 3-у

Подставим
это значение х во второе уравнение,
получим:

                                       
74,5-(3-у) 58,5у= 188,3

                                
223,5-74,5у 58,5у= 188,3

                                                        
-16у = -35,2

                     
у = 2,2

 Найдем
теперь значение х:

х
= 3-у = 3-2,2 = 0,8

В
смеси содержится 0,8 моль хлорида калия
и 2,2 моль хлорида натрия.

Вычислим
массу хлорида калия и хлорида натрия:

                    
m(KCl) = v(KCl)
M(KCl) = 0,8 моль«74,5 г/моль = 59,6 г.

                     
m(KCl) = v(KCl)
M(KCl) = 2,2 моль-74,5 г/моль = 128,7 г.

 Вычислим
массовую долю хлорида калия в смеси:

w(KCl)=m(KCl)
100% / m(смеси)=59,6г
100% / 188,3г=31,65%

Вычислим
массовую долю хлорида натрия:

                               
w(NaCl) = 100% — w(KCl) = 68,35%

 Ответ:
в смеси содержится 31,65% хлорида калия
и 68,35% хлорида натрия.

             Вверх!