В задачах 392–420 определить электродвижущую силу элементов, написать уравнения реакций, за счет которых возникает разность потенциалов. Составить схемы элементов



Мы поможем в написании ваших работ!


Мы поможем в написании ваших работ!



Мы поможем в написании ваших работ!


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

В задачах 392–420 определить электродвижущую силу элементов, написать уравнения реакций, за счет которых возникает разность потенциалов. Составить схемы элементов



№ задачи 1-й полуэлемент 2-й полуэлемент
Mg; MgSO4 (C1=0,1 моль/л) Fe; FeSO4 (C2=0,01 моль/л)
Cd; CdSO4 (C1=0,01 моль/л) Cd; CdSO4 (C2=0,1 моль/л)
Pt, H2; H2SO4 (C1=1 моль/л) Ag; AgNO3 (C2=0,1 моль/л)
Al; AlCl3 (C1=0,1 моль/л) Pt, H2; HCl (C2=1 моль/л)
Pb; Pb(NO3)2 (C1=0,01 моль/л) Cu; Cu(NO3)2 (C2=1 моль/л)
Fe; Fe(NO3)2 (C1=1 моль/л) Pb; Pb(NO3)2 (C2=1 моль/л)
Ag; AgNO3 (C1=0,1 моль/л) Ag; AgNO3 (C2=1 моль/л)
Zn; ZnSO4 (C1=0,01 моль/л) Ni; NiSO4 (C2=0,01 моль/л)
Ni; NiSO4 (C1=0,001 моль/л) Cu; CuSO4 (C2=0,01 моль/л)
Cd; CdCl2 (C1=1 моль/л) Sn; SnCl2 (C2=0,01 моль/л)
Zn; ZnSO4 (C1=1 моль/л) Pt, H2; H2SO4 (C2=1 моль/л)
Fe; FeCl2 (C1=0,1 моль/л) Ag; AgCl (C2=0,01 моль/л)
Fe; FeCl2 (C1=1 моль/л) Sn; SnCl2 (C2=1 моль/л)
Mg; Mg(NO3)2 (C1=0,01 моль/л) Pb; Pb(NO3)2 (C2=0,01 моль/л)
Cu; CuCrO4 (C1=0,01 моль/л) Cu; CuCrO4 (C2=0,1 моль/л)
Cd; CdCl2 (C1=0,1 моль/л) Pb; PbCl2 (C2=0,1 моль/л)
Cu; CuCl2 (C1=0,1 моль/л) Pt, Cl2; 2Cl (C2=1 моль/л)
Cr; CrSO4 (C1=0,001 моль/л) Ni; NiSO4 (C2=0,01 моль/л)
Pt, H2; H2SO4 (C1=0,1 моль/л) Ag; AgI (C2=0,01 моль/л)
Zn; ZnCl2 (C1=1 моль/л) Cr; CrCl3 (C2=0,1 моль/л)
Pt, H2; H2SO4 (C1=0,1 моль/л) Pb; PbSO4 (C2=1 моль/л)
Fe; FeBr2 (C1=0,1 моль/л) Cu; CuBr2 (C2=0,1 моль/л)
Zn; ZnSO4 (C1=0,1 моль/л) Cu; CuSO4 (C2=0,001 моль/л)
Pt, H2; HCl (C1=1 моль/л) Fe; FeCl2 (C2=0,1 моль/л)
Sn; SnSO4 (C1=1 моль/л) Pt, H2; H2SO4 (C2=1 моль/л)
Fe; FeCl2 (C1=0,1 моль/л) Ag; AgCl (C2=0,01 моль/л)
Cd; CdI2 (C1=1 моль/л) Ag; AgI (C2=1 моль/л)
Cd; Cd(NO3)2 (C1=0,1 моль/л) Cu; Cu(NO3)2 (C2=0,1 моль/л)
Pt, Sn2+ ; Sn4+ (C1=1 моль/л) Fe3+ ; Fe2+ (C2=1 моль/л)

 

В задачах 421–445 составить схемы гальванических элементов, в которых протекают приведенные ниже токообразующие реакции. Вычислить э.д.с. элементов. Чему равно DG?

№ задачи Токообразующая реакция
H2 + Cu2+ (C=0,1 моль/л) ® 2H+ (C=1моль/л) + Cu
2Al + 3Fe2+ (C=1моль/л) ® 2Al3+(C=0,01моль/л) + 3Fe
Cd + CuSO4 (C=1моль/л) ® CdSO4 (C=1моль/л) + Cu
Zn + 2H+ (C=1моль/л) ® Zn2+ (C=0,1 моль/л) + H2
Mg + H2SO4 (C=1моль/л) ® MgSO4 (C=1моль/л) + H2
Cu + 2AgNO3 (C=0,1 моль/л) ® Cu(NO3)2 (C=0,1 моль/л) + 2 Ag
Mg + Fe2+ (C=1моль/л) ® Mg2+(C=0,01моль/л) + Fe
Fe + Cu2+(C=0,01моль/л) ® Fe2+ (C=1моль/л) + Cu
Ni + CuSO4 (C=1моль/л) ® NiSO4 (C=1моль/л) + Cu
Cd + SnCl2 (C=0,1 моль/л) ® CdCl2 (C=0,01моль/л) + Sn
Zn + Cu2+ (C=1моль/л) ® Zn2+ (C=1моль/л) + Cu
Cu + Cl2 (C=1моль/л) ® Cu2+ (C=1моль/л) + 2Cl-
Hg2+ (C=0,1 моль/л) + 2Ag ® Hg + 2Ag+(C=1×10-4моль/л)
3Zn + 2 Cr3+(C=1×10-3моль/л) ® 3Zn2+(C=1×10-4моль/л) + 2Cr
Sr + H2SO4 (C=1моль/л) ® SrSO4 (C=1моль/л) + H2
Be + Cо2+ (C=0,1 моль/л) ® Be2+ (C=0,01моль/л) + Cо
2Fe(NO3)2 + Hg2(NO3)2 (C=1моль/л)® 2Fe(NO3)3(C=1моль/л)+2Hg
Cu + 2AgCl(C=0,01моль/л) ® CuCl2 (C=0,001моль/л) + 2Ag
H2 + 2Ag+ (C=1моль/л) ® 2H+ (C=0,1 моль/л) + 2Ag
Cd + PbCl2 (C=0,01моль/л) ® CdCl2(C=0,01моль/л) + Pb
Pb + 2AgNO3 (C=0,1 моль/л) ® Pb(NO3)2 (C=0,01моль/л) + 2Ag
Zn +Hg2Cl2 (C=1моль/л) ® ZnCl2 (C=1моль/л) + 2Hg
Cd + 2AgCl (C=0,1 моль/л) ® CdCl2 (C=0,01моль/л) + 2Ag
Sc + Bi3+ (C=0,1 моль/л) ® Sc3+ (C=0,1 моль/л) + Bi
Sn + CuCl2 (C=1моль/л) ® SnCl2 (C=1моль/л) + Cu

 

В задачах 446–471 вычислить константы равновесия окислительно-восстановительных реакций, протекающих в гальванических элементах

№ задачи Уравнение реакции
SnCl2 + 2FeCl3 ® SnCl4 + 2FeCl2
Zn + CdSO4 ® ZnSO4 + Cu
Pb + Cu(NO3)2 ® Pb(NO3)2 + Cu
Cu +2AgNO3 ® Cu(NO3)2 + 2Ag
Mg + H2SO4 ® MgSO4 + H2
Zn + CuSO4 ® ZnSO4 + Cu
Al + CrCl3® AlCl3 + Cr
5FeCl2 + KMnO4 + 8HCl ® MnCl2 + KCl + 5FeCl3 + 4H2O
H3PO3 + 2AgNO3 + H2O ® H3PO4 + 2Ag + 2HNO3
2KBr + PbO2 + 4HNO3 ® Pb(NO3)2 + Br2 + 2KNO3 + 2H2O
Fe + CuSO4 ® FeSO4 + Cu
Pb + Hg2Cl2 ® PbCl2 + 2Hg
Cd + CuSO4 ® CdSO4 + Cu
4FeCl2 + O2 + 4HCl ® 4FeCl3 + 2H2O
Mn + NiCl2 ® MnCl2 + Ni
2Al + 3 Pb(NO3)2 ® 2Al(NO3)3 + 3Pb
Sn + HgSO4 ® SnSO4 + Hg
FeBr2 + CoBr3 ® FeBr3 + Co
Zn + Pb(NO3)2 ® Zn(NO3)2 + Pb
2FeSO4 +Cl2 + Na2SO4 ® 2NaCl + Fe2(SO4)3
Zn + Hg2Cl2 ® ZnCl2 + 2Hg
Cu + 2AgCl ® CuCl2 + 2Ag
Cd + SnCl2 ® CdCl2 + Sn
Fe + Pb(NO3)2 ® Fe(NO3)2 + Pb
Ni + CuSO4 ® NiSO4 + Cu
Ca + H2SO4 ® CaSO4 + H2

 

Электролиз

Электролиз представляет собой процесс, в котором окислительно-восстано­ви­тельные реакции происходят под действием постоянного электрического тока. Химические реакции при электролизе обратны реакциям в гальванических элементах.

При электролизе растворов солей необходимо помнить правила:

1. Катионы металлов, имеющих малую величину стандартного электродного потенциала (от Li+ до AI3+ включительно), не восстанавливаются на катоде, а вместо них восстанавливаются молекулы воды:

2H2O +2e ® H2 + 2OH.

2. Катионы металлов, имеющих стандартный электродный потенциал меньший, чем у водорода, но больший, чем у алюминия (от AI до H2) при электролизе восстанавливаются одновременно с молекулами воды. Причи­ной этого явления служит более высокая концентрация катионов металла в растворах по сравнению с ионами водорода ( = 10–7моль/л), а также явление перенапряжения.

3. Катионы металлов, имеющих стандартный электродный потенциал больший, чем у водорода (от Sb3+ + до Аu+), при электролизе практичес­ки полностью восстанавливаются на катоде.

4. На нерастворимом аноде в процессе электролиза происходит окис­ление анионов или молекул воды. При этом анионы бескислородных кис­лот ( S2-, I- ,Вг-, С1-) при их достаточной концентрации легко окис­ляются. Если же раствор содержит анионы кислородных кислот (например, SO42–, NO3, СО3 2–, PO43–), то на аноде окисляются не эти ионы, а молекулы воды:

2H2O + 4e ® O2 + 4H+.

5. Растворимый анод сам подвергается окислению (растворению), т.е. поcылает электроны во внешнюю цепь. При отдаче электронов смещается равновесие между электродом и раствором:

Me ↔ Men+ + ne .

металл уходят уходят во

анода в раствор внешнюю цепь

Примеры составления условий задач и их решения

Задача 472

Разобрать процессы, протекающие у электродов при электролизе водных растворов: Na2SO4, Cd(NO3)2, KBr, CuCl2; для каждого из них составить общее уравнение реакции.

Решение:

Вода может быть как окислителем, так и восстановителем, поэтому при электролизе водных растворов у электродов могут восстанавливаться и окислиться не ионы электролита, а вода. Это зависит от сравнительной величины окислительно-восстановительных потенциалов воды и ионов электролита.

I. Электролиз водного раствора Na2SO4.

Стандартный электродный потенциал системы

В

значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной водной среде

В.

Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода:

2H2O +2e ® H2↑ + 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 – 4e → O2 + 4H+; В,

поскольку отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал, характеризующий систему: 2SO42– – 2e = S2O82–, В.

Ионы SO42–, 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+.

у катода у анода

Приняв во внимание, что одновременно происходит накопление ионов Na+ в катодном пространстве и ионов SO42– в анодном пространстве, суммарное уравнение процесса можно записать в следующей форме:

2Na2SO4 + 6H2O ↔ 2H2↑ + 4NaOH + O2↑ + 2H2SO4.

у катода у анода

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

В случае, когда растворы катодного и анодного пространств перемешиваются, образующиеся в результате электролиза щелочь и кислота нейтрализуются и дают вновь соль (Na2SO4):

4NaOH + 2H2SO4 = 2NaSO4 + 4 H2O.

В итоге электролиз сводится к электрохимическому разложению воды:

2. Электролиз водного раствора Cd(NO3)2.

Решение:

При электролизе водных растворов солей цинка, железа, кадмия и некоторых других металлов, стоящих в ряду напряжения, хотя и левее водорода, но близко к нему, на катоде выделяются эти металлы. Объясняется это тем, что процесс разрядки ионов Н+ осложняется адсорбцией атомов и молекул водорода на поверхности электродов. Для того чтобы десорбировать водород и получить его в газообразном состоянии, необходимо приложить избыточную э.д.с. Увеличение э.д.с. приводит к тому, что на катоде происходит выделение металла, стоящего в ряду напряжения левее водорода:

Cd2+ + 2e ↔ Cd, В.

Нитрат-ионы скапливаются вблизи анода, но окислению легче подвергается вода:

2H2O – 4e → O2 + 4H+, В.

В целом процесс выражается уравнением

2Cd(NO3)2 + 2H2O ↔ 2Cd + O2↑ + 4HNO3.

у катода у анода

При электролезе солей, состоящих из ионов малоактивных металлов (стоящих в ряду напряжения после водорода) и кислородсодержащих анионов, также набдюдается выделение металла на катоде. На аноде выделяется кислород в результате окисления воды с изменением pH среды за счет вторичного процесса – образования кислоты.

3. Электролиз водного раствора КВr.

Решение:

Ионы калия обладают меньшей окислительной способностью, чем вода. Поэтому на катоде происходит восстановление воды, а на аноде – окисление брома, которые обладают большей восстановительной способностью, чем вода.

катод K+, HOH; 2H2O + 2e → H2 + 2OH в-е, о-ль PH > 7

анод Br, HOH; 2Br – 2e = Br2 о-е, в-ль

 
 


катионы активного металла калия, которые не восстанавливаются на катоде, накап- ливаются в прикатодном пространстве.

В целом процесс выражается уравнением

4. Электролиз водного раствора СuCl2.

Решение:

В растворе хлорид меди (II) диссоциирует на ионы:

CuCl2 « Cu2+ + 2Cl

Значение стандартного электродного потенциала меди (0,34 В) положительно, следовательно, ионы меди(II) будут легко восстанавливаться в водных растворах: катод (-) Сu2+ + 2e ® Сu .

Хлорид -анионы, как и многие анионы бескислородных кислот, окисляются в водных растворах: анод (+) 2 СI -2e® С12

Суммарное уравнение процесса:

 

1 2 Cl – 2e ® Cl2 o-e, в-ль; В

1 Cu2+ + 2е ® Cu в-е, о-ль; В

Задача 503

Вычислить массу серебра, выделившуюся на катоде при пропускании тока силой 6А через раствор нитрата серебра в течение 30 мин.

Решение:

Соотношения между количеством прошедшего электричества и количеством вещества, выделившегося при электролизе, были открыты английским физиком М. Фарадеем в 30-х годах XIX века.

Первый закон. Количества веществ, превращенных при электролизе, пропорциональны количеству электричества, прошедшего через электролит.

Второй закон. При прохождении одного и того же количества электричества через различные электролиты количества различных веществ, испытывающие превращение у электродов, пропорциональны химическим эквивалентам этих веществ.

Для выделения или превращения с помощью тока 1г-экв любого вещества необходимо всегда одно и то же количество электричества, называемое числом Фарадея.

Выразим законы Фарадея общим уравнением:

,

где m – масса продукта электролиза, г; I – сила тока, А; t – время, с; F – число Фарадея – 96500 к/г-экв; Э – химический эквивалент, г/г-экв.

Вычисляем массу, выделившуюся на катоде, серебра:

г.

Задача 509

Найти объем кислорода (условия нормальные), который выделится при пропускании тока силой 6А в течение 30 мин через водный раствор KOH.

Решение:

При вычислении объемов выделившихся газов представим уравнение Фарадея в следующей форме:

,

где V – объем выделившегося газа, л; Vэ – его эквивалентный объем, л/моль.

Поскольку при нормальных условиях эквивалентный объем водорода равен 11,2 л/моль, а кислорода - 5,6 л/моль, то получим

л.

Задача 515

При электролизе водного раствора АgNO3 с нерастворимым анодом в течение 50 мин при силе тока в 3,0 А на катоде выделилось 9,6 г серебра. Вычислить выход по току.

Решение:

При практическом проведении электролиза действительный расход тока, вследствие протекания тех или иных побочных процессов, обычно превышает количество его, рассчитанное согласно закону Фарадея. Поэтому на практике часто приходится иметь дело с коэффициентом использования тока, или с так называемым выходом по току (η – эта).

Выходом по току называется отношение количества практически выделенного при электролизе вещества к тому количеству его, которое должно было бы выделиться согласно закону Фарадея.

Выход по току находим как ,

Отсюда .

Задача 532

Сколько времени нужно пропускать ток силой 2,0 А через раствор сульфата никеля, чтобы покрыть металлическую пластинку 200 см2 слоем никеля, толщиной 0,01 мм, если плотность никеля 8,9 г/см3. Выход по току составляет 90 %.

Решение:

Объем покрытия V=S×h = 200× 0,001= 0.2 см3

Масса будет равна mфакт = V × r = 0,2 ×8,9 = 1,78 г.

Эквивалентная масса никеля Э = 29,345 г/моль.

Решая уравнение

относительно t и подставляя в него числовые значения, находим

= 3251 с = 54,19 мин.

Итак, при практическом осуществлении электролиза часто наблю­даются кажущиеся отклонения от закона Фарадея. Чаще всего они проявляются при катодном восстановлении электроотрицательных металлов, когда часть электрического тока расходуется на разряд ионов водорода.

Законы электролиза относятся к электролизу растворов, расплавов и твердых электролитов с чисто ионной проводимостью.

 

Задача 533

Определить толщину слоя металла – Pt ( в миллиметрах), нанесенного на другой металл гальваническим методом. Исходный электролит H2[PtCl6]. Площадь поверхности металлической пластинки 250 см2, плотность пластины 21,47 г/см2. Время электролиза 45 мин, ток силой 0,2 А, выход по току составляет 90%.

Решение:

Зная выход по току, определяем количество выделенного при электролизе вещества:

г.

Тогда объем покрытия: и толщина слоя: .

 

При выполнении задания рекомендуется использовать методические указания [6].



Последнее изменение этой страницы: 2016-04-08; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.237.97.64 (0.046 с.)