Различают электролиз расплавов и растворов электролитов.

 

Электролиз расплавов солей

Катодные процессы.

1) Все катионы металлов восстанавливаются на катоде:

К(-): Zn²⁺ + 2e- → Zn0; Na⁺ + 1e- → Na⁰

Анодные процессы.

1) Анионы бескислородных кислот окисляются на аноде:

А(+): 2Cl¯ - 2e-→Cl₂

 

2) Анионы кислородсодержащих кислот образуют соответствующий кислотный оксид и кислород:

А(+): 2SO₄^2ˉ - 4e- → 2SO₃ + O₂

 

Электролиз водных растворов электролитов

Катодные процессы.

При прочих равных условиях ионы металлов восстанавливаются на катоде тем легче, чем менее активен металл, чем дальше вправо он расположен в ряду напряжений.

 

1) Катионы металлов, имеющие электродный потенциал более высокий, чем у ионов водорода Н+ (в ряду напряжений эти металлы стоят после Н₂), при электролизе практически полностью восстанавливаются на катоде:

Cu²⁺ + 2e- → Cu⁰

 

2) Катионы металлов, имеющие низкую величину электродного потенциала (от начала ряда напряжения по алюминий включительно), не восстанавливаются на катоде и остаются в растворе, на катоде идет процесс электрохимического восстановления водорода из молекул воды:

2H₂O + 2e- → H₂ + 2OH¯

 

3) Катионы металлов, имеющие электродный потенциал ниже, чем у ионов водорода (Н⁺), но выше, чем у ионов алюминия (Al³⁺), т.е стоящих между Zn²⁺→ Meⁿ⁺ ← H₂, при электролизе восстанавливаются на катоде одновременно с водородом.

Fe³⁺ + 3e- → Fe⁰

2H₂O + 2e- → H₂ + 2OH¯

 

Анодные процессы.

При электролизе веществ используется инертные, не изменяющиеся в процессе электролиза аноды (графитовые, платиновые) и растворимые аноды, окисляющиеся в процессе электролиза легче, чем анионы (из цинка, никеля, серебра, меди и других металлов).

 

1) Анионы бескислородных кислот (S^2ˉ, I¯, Br¯, Cl¯) при их достаточной концентрации легко окисляются до соответствующих простых веществ.

 

2) При электролизе водных растворов щелочей, кислородсодержащих кислот и их солей, а также плавиковой кислоты и фторидов происходит электрохимическое окисление воды с выделение кислорода:

 

в щелочных растворах: 4OH¯ - 4e- → O₂ + 2H₂O

 

в кислых и нейтральных растворах: 2H₂O - 4e- → O₂ + 4H⁺

 

15.3. Количественно процессы электролиза оцениваются законами Фарадея: масса электролита, подвергшаяся превращению при электролизе, а также массы образующихся на электродах веществ прямо пропорциональны количеству электричества, прошедшего через раствор или расплав электролита, и эквивалентным массам соответствующих веществ.

Закон выражается уравнением

 или ,                                       (6)

где m - масса образовавшегося или подвергшегося превращению вещества;

   М - мольная масса этого вещества;

n - число молей электронов, участвующих в процессе образования 1 моля вещества;

I - сила тока, А;

t - время электролиза, с;

F - постоянная Фарадея, (96500 Kл/моль);

Э - эквивалентная масса вещества;

.                                                                                  (7)

Для вычисления объема выделяющегося газа (V) уравнение имеет вид:

,                                                                                      (8)

где V _э = ; V _э - эквивалентный объем газа.

При нормальных условиях эквивалентный объем водорода равен 11,2 л/моль, а кислорода 5,6 л/моль.

Выходом по току называют ту долю от общего количества электричества (Q = I * t), которая расходуется на данную электродную реакцию или отношение массы выделившегося вещества m _практ к теоретически возможной m _теор по уравнению Фарадея

.              (9)

Примеры решения задач.

П р и м е р 1. Какая масса меди выделится на катоде при электролизе раствора CuSO₄ в течение 1 часа при силе тока 4А?

Р е ш е н и е. Согласно законам Фарадея:

m = ЭIt/96500,                   (1)

где m – масса вещества, окисленного или восстановленного на электроде;

Э – эквивалентная масса вещества;

  I – сила тока, А;

  t – продолжительность электролиза, с.

Эквивалентная масса меди в CuSO₄ равна 63,54 2 = 31,77г/моль. Подставив в формулу (1) значения Э = 31,77; I = 4А; t = 60 60 = 3600с, получим:

П р и м е р 2. Вычислите эквивалентную массу металла, зная, что при электролизе раствора хлорида этого металла затрачено 3880Кл электричества и на катоде выделяется 11,742г металла.

Р е ш е н и е. Из формулы (1):

Э = 11,742 96500/3880 = 29,35г/моль,

где m = 11,742г; It = Q = 3880Кл.

П р и м е р 3. Чему равна сила тока при электролизе раствора в течение 1ч 40мин 25с, если на катоде выделилось 1,4л водорода (н.у.)?

Р у ш е н и е. Из формулы (1):

I = m 96500 Эt.

Так как дан объем водорода, то отношение m/Э заменяем отношением V_H V_{Э(H )}, где V_H  − объем водорода, л; V_{Э(H )} – эквивалентный объем водорода, л. Тогда I = V_H 96500/ V_{Э(H )}.

Эквивалентный объем водорода при н. у. равен половине молярного объема 22,4/2 = 11,2л. Подставив в приведенную формулу значения V_H = 1,4 л, t = 6025 (1ч 40мин 25с), находим I = 1,4 96500/11,2 6025 = 2А.

П р и м е р 4. Какая масса гидроксида калия образовалась у катода при электролизе раствора К₂SO₄, если на аноде выделилось 11,2л кислорода (н. у.)?

Р е ш е н и е. Эквивалентный объем кислорода (н. у.) 22,4/4 = 5,6л. Следовательно, 11,2л содержат две эквивалентные массы кислорода. Столько же эквивалентных масс KOH образовалось у катода, или 56,11 2 = 112,22г (56,11г/моль – молярная и эквивалентная масса KOH).

Задания для контрольных работ.

281. Электролиз раствора К₂SO₄ проводили при силе тока 5А в течение 3ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах. Какая масса воды при этом разложилась и чему равен объем газов (н. у.), выделившихся на катоде, аноде? Ответ: 5,03г; 6,266л; 3,133л.

282. При электролизе соли некоторого металла в течение 1,5ч при силе тока 1,8А на катоде, выделилось 1,75г этого металла. Вычислите эквивалентную массу металла. Ответ: 17,37г/моль.

283. При электролизе раствора CuSO₄ на аноде выделилось 168см³ (н. у.) газа. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах, и вычислите, какая масса меди выделилась на катоде. Ответ: 0,953г.

284. Электролиз раствора Na₂SO₄ проводили в течение 5ч при силе тока 7А. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах. Какая масса воды при этом разложилась и чему равен объем газов (н. у.), выделившихся на катоде и аноде? Ответ: 11,75г; 14,62л; 7,31л.

285. Электролиз раствора нитрата серебра проводили при силе тока 2А в течение 4ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах. Какая масса серебра выделилась на катоде и каков объем газа (н. у.), выделившегося на аноде? Ответ: 32,20г; 1,67л.

286. Электролиз раствора сульфата некоторого металла проводили при силе тока 6А в течение 45мин, в результате чего на катоде выделилось 5,49г металла. Вычислите эквивалентную массу металла. Ответ: 32,7г/моль.

287. Насколько уменьшится масса серебряного анода, если электролиз раствора AgNO₃ проводить при силе тока 2А в течение 387мин 20с? Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на графитовых электродах. Ответ: 4,47г.

288. Электролиз раствора сульфата цинка проводили в течение 5ч, в результате чего выделилось 6л кислорода (н. у.). Составьте уравнения электродных процессов и вычислите силу тока. Ответ: 5,74А.

289. Электролиз раствора CuSO₄ проводили с медным анодом в течение 4 ч при силе тока 50А. При этом выделилось 224г меди. Вычислите выход по току (отношение массы выделившегося вещества к теоретически возможной). Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах в случае медного и угольного анода. Ответ: 94,48%.

290. Электролиз раствора NaI проводили при солее тока 6А в течение 2,5 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах, и вычислите массу вещества, выделившегося на катоде и аноде. Ответ: 0,56г; 71,0г.

291. Составите электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах при электролизе раствора AgNO₃. Если электролиз проводить с серебряным анодом, то его масса уменьшается на 5,4г. Определите расход электричества при этом. Ответ: 4830Кл.

292. Электролиз раствора CuSO₄ проводили в течение 15мин при силе тока 205А. Выделилось 0,72г меди. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах в случае медного и угольного анода. Вычислите выход по то. Ответ: 97,3%

293. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на графитовых электродах при электролизе расплавов и водных растворов NaCl и KOH. Сколько литров (н. у.) газа выделится на аноде при электролизе гидроксида калия, если электролиз проводить в течение 30мин при силе тока 0,5А? Ответ: 0,052л.

294. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на графитовых электродах при электролизе раствора KBr. Какая масса вещества выделяется на катоде и аноде, если электролиз проводить в течение 1ч 35мин при силе тока 15А? Ответ: 0,886г; 70,79г.

295. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах при электролизе раствора CuCl₂. Вычислите массу меди, выделившейся на катоде, если на аноде выделилось 560 мл газа (н. у.). Ответ: 1,588г.

296. При электролизе соли трехвалентного металла при силе тока 1,5А в течение 30мин на катоде выделилось 1,071г металла. Вычислите атомную массу металла. Ответ: 114,82.

297. При электролизе растворов MgSO₄ и ZnCl₂, соединенных последовательно с источником тока, на одном из катодов выделилось 0,25г водорода. Какая масса вещества выделится на другом катоде? на анодах? Ответ: 8,17г; 8,86г.

298. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах при электролизе раствора Na₂SO₄. Вычислите массу вещества, выделившегося на катоде, если на аноде выделяется 1,12л газа (н. у.). Какая масса H₂SO₄ образуется при этом возле анода? Ответ: 0,2г; 9,8г.

299. При электролизе раствора соли кадмия израсходовано 3434Кл электричества. Выделилось 2г кадмия. Чему равна эквивалентная масса кадмия? Ответ: 56,26г/моль.

300. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах при электролизе раствора KOH. Чему равна сила тока, если в течение 1ч 15мин 20с на аноде выделилось 6,4 газа? Сколько литров газа (н. у.) выделилось при этом на катоде? Ответ: 17,08А; 8,96л.

 

 

ОБЩИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.

16.1. Металлами являются большинство элементов периодической системы Д.И. Менделеева.

Физические, механические и химические (восстановительные) свойства металлов в основном обусловлены содержанием в них «свободных» электронов. В твердом состоянии металлы отличаются от остальных веществ высокой теплопроводностью и электрической проводимостью, полной непрозрачностью, высокой отражательной способностью по отношению к видимому свету (металлическим блеском).

Металлы обладают специфическими механическими свойствами: куются, прокатываются, вытягиваются, некоторые имеют большую прочность при натяжении или сжатии.

При взаимодействии металлов с атомами неметаллов химическая активность металлов определяется его энергией ионизации. Мерой восстановительной способности металла в реакциях с растворами электролитов является электродный потенциал металла.

Металлы проявляют сильные восстановительные свойства, то есть, способны отдавать электроны, переходя в положительно заряженные ионы. По степени химической активности металлы располагают в ряд напряжений.

CuSO₄ + Fe ® FeSO₄ + Cu

                           красный цвет

Сu²⁺ + Fe ® Fe²⁺ + Cu

 

1) Ca + H₂ ® Ca²⁺ + H^–1₂                      гидриды

2) W + C ® WC                                      карбиды

3) 2Fe + O₂ ® 2FeO                               оксиды

4) Fe + S ® FeS                                       сульфид

5) Fe + Cl₂ ® FeCl₂                                 хлорид

6) 2Na + 2H₂O ® 2NaOH + H₂­         с водой

Ca + 2H₂O ® Ca(OH)₂ + H₂­

7) Mg + 2HCl ® MgCl₂ + H₂­             с кислотой

3H₂SO₄ + 2Al ® Al₂(SO₄)₃ + 3H₂­

 

                                          Cu                     SO₂

H₂S⁺⁶O₄ Zn                    S⁰                      S⁺⁶ восстанавливается

                                          Ca                     H₂S^–2

 

 

                                       Fe, Cl                   пассивируют

                           Тяжелые металлы       NO2­

HNO3                     Щелочные               N2O

 

                              щелоч. щ – з. Sn, Fe  NH₃ (NH₄NO₃)

HNO₃                   тяжелые металлы     NO

 разб.