Законы электролиза
Процессы электролиза подчиняются законам Фарадея:
Первый закон:
Масса электролита, подвергшаяся химическому превращению, а также массы веществ, выделившихся на электродах, прямо пропорциональны количеству электричества, прошедшему через расплав или раствор электролита.
Второй закон:
При пропускании одинакового количества электричества через растворы или расплавы различных электролитов масса веществ, выделяющихся на электродах, пропорциональна их химическим эквивалентам.
Для расчетов используют объединенное уравнение законов Фарадея:
где m – масса электролита, подвергшаяся химическому превращению, или масса вещества, выделившегося на электроде, г; Мэ – молярная масса эквивалентов вещества, г/моль; J – сила тока, А; t — время электролиза, с; F – число Фарадея (96500 Кл/моль).
Молярная масса эквивалентов вещества рассчитывается по формуле:
где М – молярная масса вещества, г/моль;
n – число электронов, участвующих в электродном процессе.
Для расчета объемов газообразных продуктов электролиза в законе Фарадея молярная масса эквивалентов вещества Мэ заменяется на молярный объем эквивалента газа при нормальных условиях (Vэ), который рассчитывается по формуле:
где 22,4 – это объем, который занимает 1 моль любого газа при нормальных условиях, л; n – число 
, отданных или принятых 1 моль газа.
При проведении электролиза в реальных условиях, вследствие побочных процессов масса вещества, выделившегося на электроде, оказывается меньше массы, рассчитанной по закону Фарадея. Отношение массы вещества, полученной при электролизе (mпракт.) к массе вещества, рассчитанной по закону Фарадея (mтеор.), выраженное в процентах, называется выходом по току (Вт):
Пример 1. Составьте электронные уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе раствора CuSO4. Определите массу меди и объем газа, выделившихся на электродах при прохождении тока силой 5 А в течение 2 часов.
Решение. В водном растворе CuSO4 диссоциирует по схеме
При электролизе раствора соли CuSO4 на катоде будут восстанавливаться ионы Cu 2+ , а на аноде – окисляться молекулы воды.
Катод (–): Cu 2+ + 2 ® Cu 2
Анод (+): 2Н2О — 4 ® О2 + 4Н + 1
 |
Молекулы H2SO4 образуются в результате побочной реакции между ионами Н + и кислотными остатками SO4 2– , которые накапливаются у поверхности анода.
Масса меди, выделившейся на катоде:
Объем кислорода, выделившегося на аноде:
Ответ: m(Сг)=11,85 г; 
Пример 2. Составьте схему электролиза водного раствора соли NaCl и рассчитайте массу образовавшегося на катоде гидроксида натрия, если на аноде выделилось 1,12 л газа.
Решение.В водном растворе NaCl диссоциирует по схеме:
При электролизе раствора NaCl на катоде будет восстанавливаться водород из молекул воды, а на аноде – окисляться ионы Cl – до газообразного Cl2:
Катод (–): 2Н2О + 2 ® Н2 + 2ОН – 1
Анод (+): 2Cl – — 2 ® Cl2 1
 |
Суммарная реакция: 2NaCl + 2H2O ® H2 + 2NaOH + Cl2
Молекулы NaОН образуются в результате взаимодействия ионов ОН – с ионами Na + , которые накапливаются у поверхности катода.
Молярный объем эквивалента хлора:
Количество эквивалентов хлора:
Так как на электродах выделяется одинаковое количество эквивалентов веществ, то
Масса образовавшегося NaOH:
Пример 3.Определите массу цинка, который выделится на катоде при электролизе сульфата цинка в течение 1 часа при токе 26,8 А, если выход цинка по току равен 58%. Составьте схему электродных процессов.
Решение. Согласно закону Фарадея масса выделившегося цинка:
С учетом выхода по току практически выделившаяся масса цинка:
Схема электролиза раствора ZnSO4:
Катод (–): Zn 2+ + 2 ® Zn
2H2O + 2 ® H2 + 2OH –
Анод (+): 2H2O — 4 ® O2 + 4H + 1
Низкий выход по току цинка объясняется тем, что одновременно с цинком на катоде восстанавливаются молекулы воды и часть электричества расходуется на этот процесс.
Источник
Советы тут
Много полезных советов
Задачи и упражнения по электролизу и окислительно-восстановительным процессам с решениями
от Ауес Беев
Сегодня у нас урок химии 107 — Задачи и упражнения по электролизу и окислительно-восстановительным процессам с решениями. Как изучить? Полезные советы и рекомендации повторите предыдущие уроки химии.
При обнаружении неточностей, или если появятся неясные моменты, просьба написать в комментариях. Отвечу на все вопросы.
- Какой объем газа (при н.у.) выделится на аноде при электролизе расплава хлорида калия, если на катоде выделяется 11,7 г металла?
1) 11,2; 2) 3,36; 3) 16,8; 4) 22,4.
Электролиз расплава хлорида калия:
V(Cl2) = 22,4 ⃰0,15 = 3,36 л.
- Вычислите объём в литрах газа, выделяющегося на аноде при электролизе водного раствора гидроксида кальция с инертными электродами, если на катоде выделился газ объемом 67,2 л (при н.у.).
1) 16,8; 2) 11,2; 3) 33,6; 4) 5,6.
Электролиз водного раствора гидроксида кальция с инертными электродами:
Катодный процесс К(-) будет: 2Н + + 2е — → Н2;
Анодный процесс A(+) будет: 2H2O — 4 е — → O2 + 4Н + ;
Процесс электролиза сводится к разложению воды:
- Какая масса (в граммах) гидроксида лития образуется в растворе при электролизе водного раствора хлорида лития с инертными электродами с инертными электродами, если на аноде выделяется 10,08 л газа (н.у.)?
1) 24; 2) 46; 3) 19; 4) 21,6.
Электролиз водного раствора хлорида лития с инертными электродами:
Катодный процесс К(-) будет: 2Н + + 2е — → Н2;
Анодный процесс A(+) будет: 2Cl — — 2е — → Cl2;
Cуммарный процесс электролиза:
n(Cl2) = 10,08/22,4 = 0,45 моль;
n(LiOH) = 2n(Cl2) = 0,45 ⃰0,45 = 0,9 моль;
М(LiOH) = 24 г/моль;
m(LiOH) = 24 ⃰0,9 = 21,6 г.
- Определите массу (в граммах) азотной кислоты, образующейся в растворе при электролизе водного раствора нитрата меди с инертными электродами, если на катоде выделяется 8 г вещества.
1) 35,8; 2) 60; 3) 15,75; 4) 48,9.
Электролиз водного раствора нитрата меди с инертными электродами:
Катодный процесс К(-) будет: Cu 2+ + 2е — → Cu;
Анодный процесс A(+) будет: 2H2O — 4 е — → O2 + 4Н + ;
Cуммарный процесс электролиза:
n(Cu) = 8/64 = 0,125 моль;
n(HNO3) = 2n(Cu) = 0,125 ⃰2 = 0,25 моль;
m(HNO3) = 0,25 ⃰63 = 15,75 г.
- Какая масса газа выделится на аноде (в граммах) при полном электролизе 320 г 10 %-го водного раствора сульфата меди?
1) 3,2; 2) 12,8; 3) 19,2; 4) 25,6.
Электролиз водного раствора сульфата меди с инертными электродами:
Катодный процесс К(-) будет: Cu 2+ + 2е — → Cu;
Анодный процесс A(+) будет: 2H2O — 4 е — → O2 + 4Н + ;
Cуммарный процесс электролиза:
m(CuSO4) = 320 ⃰10/100 = 32 г;
n(CuSO4) = 32/160 = 0,2 моль;
- При погружении в раствор нитрата серебра медной пластинки массой 120 г. произошло полное вытеснение серебра. При этом, масса пластинки увеличилась на 3,8 %. Какая масса серебра содержалось в растворе?
1) 3,24; 2) 6,48; 3) 2,43; 4) 12,96.
Масса медной пластинки после выделения серебра будет:
m(Cu) = 120 ⃰103,8/100 = 124,56 г;
Из уравнения реакции видно, что при растворении 1 моля Cu (64 г), выделяется 2 моля серебра (216 г). При этом масса пластинки увеличивается на:
Δm = 216 – 64 = 152 г;
По условию задачи,
Δm = 124,56 – 120 = 4,56 г;
Тогда верна будет пропорция:
216 г Ag увеличивают массу пластинки на 152 г
х г Ag увеличивают массу пластинки на 4,56 г
Оттуда, х = 216 ⃰4,56/152 = 6,48 г.
- Электролиз раствора медного купороса выделил на аноде 6,72 л газа (н.у.). Какова масса вещества (граммы) выделившегося на катоде?
1) 19,2; 2) 9,6; 3) 76,8; 4) 38,4.
Электролиз водного раствора медного купороса с инертными электродами:
Катодный процесс К(-) будет: Cu 2+ + 2е — → Cu;
Анодный процесс A(+) будет: 2H2O — 4 е — → O2 + 4Н + ;
Cуммарный процесс электролиза:
m(Cu) = 64 ⃰0,6 = 38,4 г;
- При проведении электролиза расплава хлорида неизвестного металла, дающего трехзарядный катион, на аноде выделилось 1,344 л газа (н.у.), а на катоде – 1,08 г металла. Определите неизвестный металл. (В ответе укажите молярную массу хлорида.)
1) 144,5; 2) 189,5; 3) 133,5; 4) 203,5.
Электролиз расплава хлорида трехвалентного металла:
n(Cl2) = 1,344/22,4 = 0,06 моль;
n(Ме) = 2/3n(Cl2) = 2 ⃰0,06/3 = 0, 04 моль;
М(Ме) = 1,08/0,04 = 27 г/моль;
- 400 мл раствора с массовой долей КOH 12 % (ρ = 1,11 г/мл) подвергли электролизу, в результате которого на аноде выделилось 26,88 л газа (н.у.). Какова массовая доля (%) находящегося в растворе вещества после электролиза. (Массовую долю в ответе укажите с точностью до десятых).
1) 13,3; 2) 15,6; 3) 18,4; 4) 14,1.
m(р-ра КOH) = 400 ⃰1,11 = 444 г;
m(КOH) = 444 ⃰12/100 = 53,28 г;
Электролиз водного раствора гидроксида калия с инертными электродами:
Катодный процесс К(-) будет: 2Н + + 2е — → Н2;
Анодный процесс A(+) будет: 2H2O — 4 е — → O2 + 4Н + ;
Процесс электролиза сводится к разложению воды:
m(р-ра КOH после электролиза) = 444 – (38,4 + 4,8) = 400,8 г;
ω(р-ра КOH после электролиза) = 53,28 ⃰100/400,8 = 13,3 %.
- Сколько граммов перманганата калия потребуется для реакции с хлористоводородной кислотой, если полученный хлор, при пропускании через раствор иодида натрия выделяет 40 г брома? (в ответе укажите массу (г) перманганата калия с точностью до десятых.)
1) 7,9; 2) 15,8; 3) 23,7; 4) 31,6.
n(Br2) = 40/160 = 0,25 моль;
m(KMnO4) = 158 ⃰0,1 = 15,8 г.
- В разбавленной азотной кислоте растворили 3 моля магния. Какова масса азотной кислоты, которая была израсходовано только на процесс окисления магния, если одним из продуктов реакции является азот?
1) 40,8; 2) 22,6; 3) 31,5; 4) 75,6.
2N +5 + 10e — = 2N 0
5Mg 0 — 2e — = 5Mg 2+
Из уравнения реакции и электронного баланса видно, что 5 атомов магния (восстановитель) отдают 10 элетронов, которые принимаются двумя атомами азота в азотной кислоте в степени окисления +5. При этом, из каждых двух молей азотной кислоты, участвующих в окислении, образуется одна моль газообразного азота, остальные 10 молей HNO3 участвуют в реакции обмена.
Для процесса окисления-восстановления можно написать:
2HNO3 + 5Mg 0 → 5Mg 2+ + N2 0 ↑ + 2H +
Тогда, количество молей HNO3, взаимодействуэщих с тремя молями магния будет:
n(HNO3) = 2 ⃰3/5 = 1,2 моль;
m(HNO3) = 1,2 ⃰63 = 75,6 г;
- Напишите уравнение реакции взаимодействия дихромата калия с бромидом калия в сернокислом растворе. Сколько граммов брома выделяется, если для реакции взято 200 мл 0,2 М раствора K2Cr2O7, а выход брома равен 85 %? (Ответ с точностью до сотых.)
1) 28,15; 2) 21,26; 3) 16,32; 4) 36,49.
2Cr 6+ + 6e — = 2Cr 3+
2Br 0 — 2e — = 2Br 0
m(Br2) = 0,12 ⃰160 ⃰85/100 = 16,32 г.
- В концентрированной азотной кислоте было растворено 27 г металлического серебра. Какая масса азотной кислоты (в граммах) была израсходована только на процесс солеобразования? (Ответ с точностью до сотых.)
1) 15,75; 2) 32,63; 3) 44,56; 4) 18,45.
Из уравнения реакции и электронного баланса видно, что 1 атом серебра (восстановитель) отдает 1 электрон, который принимается одним атомом азота в азотной кислоте в степени окисления +5. При этом, из каждой молекулы азотной кислоты, участвующей в окислении, образуется одна молекула газообразного оксида азота (IV), остальная 1 молекула HNO3 участвует в реакции солеобразования.
Тогда, для процесса солеобразования можно будет написать:
n(Аg) = 27/108 = 0,25 г/моль;
m(HNO3) = 0,25 ⃰63 = 15,75 г;
- Какую массу (в граммах) 20,6 %-го раствора бромида натрия следует подвергнуть электролизу, чтобы выделившийся галоген вытеснил 12,7 г йода из иодида натрия?
1) 70; 2) 50; 3) 40; 4) 80.
Электролиз водного раствора бромида натрия с инертными электродами:
Катодный процесс К(-) будет: 2Н + + 2е — → Н2;
Анодный процесс A(+) будет: 2Br — — 2е — → Br2;
Cуммарный процесс электролиза:
Реакция брома с иодидом натрия:
n(NaBr) = 2n(Br2) = 2 ⃰0,05 = 0,1 моль;
М(NaBr) = 103 г/моль;
m(NaBr) = 103 ⃰0,1 = 10,3 г.
m(р-ра NaBr) = 10,3 ⃰100/20,6 = 50 г.
- Из приведенных вариантов электролиза расплава гидроксида натрия выберите правильный (анод нерастворимый):
Электролиз расплава гидроксида натрия с инертными электродами:
Катодный процесс К(-) будет: 4Na + + 4е — → 4Na;
Анодный процесс A(+) будет: 4OH — — 4е — → O2 + 2H2O;
Cуммарный процесс электролиза:
4NaOH (электролиз) → 4Na + O2↑ + 2H2O;
- Из приведенных вариантов, продуктами электролиза раствора гидроксида калия являются (анод инертный):
Электролиз водного раствора гидроксида калия с инертными электродами:
Катодный процесс К(-) будет: 2Н + + 2е — → Н2;
Анодный процесс A(+) будет: 2H2O — 4 е — → O2 + 4Н + ;
Процесс электролиза сводится к разложению воды:
- Электролиз раствора нитрата серебра сопровождается выделением газа _____________. Запишите название газа в родительном падеже.
Электролиз водного раствора нитрата серебра с инертными электродами:
Катодный процесс К(-) будет: Ag + + е — → Ag;
Анодный процесс A(+) будет: 2H2O — 4е — → O2 + 4Н + ;
Cуммарный процесс электролиза:
- При электролизе водных растворов, содержащих смесь катионов Fe 2+ , Ag + , Cо 2+ и К + , раньше восстанавливаются на катоде катионы _______________. Запишите название металла в родительном падеже.
Металлы в ряду активности расположены в порядке убывания их активности:
Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
Чем правее расположен металл в этом ряду, тем он менее активен и легче восстанавливается на катоде.
- При электролизе расплава и раствора какого вещества получаются одинаковые продукты
Электролиз расплава и раствора хлорида меди(II) дает медь и хлор.
- При электролизе расплава хлорида двухвалентного металла массой 19 г на аноде выделяется газ объемом 4,48 л (при н.у.). Определите металл ____________.
Электролиз расплава хлорида двухвалентного металла:
М(МеCl2) = 19/0,2 = 95 г/моль;
А(Ме) = 95 – 71 = 24 г/моль.
Такую атомную массу имеет магний.
- Из ниже приведенных окислительно-восстановительных процессов с участием воды протекает:
1) NaCl + … → Na + Cl2;
3) 2ZnS + … → 2SO2 + 2ZnO;
С участием воды протекает окислительно-восстановительная реакция под номером 2.
- Какой ион является окислителем в реакции бария с концентрированной азотной кислотой?
1) Ва 2+ ; 2) H + ; 3) Ва 0 ; 4) NO3 — .
Ва 0 + 2е — = Ва 2+
Видно, что окислителем является N 5+ , входящий в состав иона NO3 — .
- При электролизе водного раствора фосфата калия на аноде выделяется
Электролиз водного раствора фосфата калия с инертными электродами:
Катодный процесс К(-) будет: 2Н + + 2е — → Н2;
Анодный процесс A(+) будет: 2H2O — 4 е — → O2 + 4Н + ;
Процесс электролиза сводится к разложению воды:
- Сульфит натрия в водных растворах
1) проявляет только окислительные свойства;
2) проявляет только восстановительные свойства;
3) проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства;
4) не проявляет окислительно-восстановительных свойств.
Сера может находиться в степенях окисления: S 2- ; S 4+ ; S 6+ .
В сульфите натрия — Na2 + S 4+ O3 2- она находится в степени окисления S 4+ . Следовательно, может проявлять, как окислительные, так и восстановительные свойства.
- Сульфид калия в водных растворах
1) проявляет только окислительные свойства;
2) проявляет только восстановительные свойства;
3) проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства;
4) не проявляет окислительно-восстановительных свойств.
Сера может находиться в степенях окисления: S 2- ; S 4+ ; S 6+ .
В сульфиде калия – К2 + S 2- , она находится в степени окисления S 2- . Следовательно, может проявлять только восстановительные свойства.
Это был у нас урок химии 107 — Задачи и упражнения по электролизу и окислительно-восстановительным процессам с решениями.
Источник