Методические указания к самостоятельной работе по общей химии для студентов Iкурса всех специальностей, изучающих химию

Вид материала

Таблица 6 Варианты задания 6
Электролиз растворов
Катодные процессы
Анодные процессы
Примеры решения задач
Задания для самоподготовки
Таблица 7 Варианты задания 7
Таблица 8 Варианты задания 8

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7

Задание 6

Для металла Ме (табл. 6) выберите из перечня металлов-покрытий:

а) анодные покрытия; б) катодные покрытия.

Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, протекающих при атмосферной коррозии металла Ме, покрытого первым из металлов-покрытий при нарушении покрытия.

Таблица 6

Варианты задания 6

№ п/п	Ме	Металлы- покрытия	№ п/п	Ме	Металлы- покрытия
1	Fе	Be, Сu, Ag	16	Mg	Cr, Al, Ni
2	Сu	Al, Be, Au	17	Cu	Sn, Pt, Mo
3	Sn	Zn, Bi, Pt	18	Zn	Cd, Be, Cu
4	Cu	Ti, Au, Cd	19	Co	Fe, W, Pt
5	Cd	Co, Fe, Cu	20	Sn	Ti, Pb, Ni
6	Zn	Al, Pb, Sn	21	Mn	Pb, Ti, Co
7	Co	Mn, Ni, Pb	22	Cd	Zn, Mo, Cu
				Окончание табл. 6
№ п/п	Ме	Металлы- покрытия	№ п/п	Ме	Металлы- покрытия
8	Fе	Cu, Cr, Al	23	Fе	Ni, Au, Sn
9	Cd	Zn, Mo, Cr	24	Cu	Pb, Fe, Ag
10	Co	Fe, Ni, Pb	25	Ni	Zn, Pb, Cr
11	Cr	Al, Fe, Co	26	Рb	Ti, Zn, Pt
12	Fе	Cu, Ag, Zn	27	Co	Mo, Cr, Au
13	Ni	Pb, Mn, Ti	28	Fе	Cr, Bi, Be
14	Mn	Al, Pt, Ni	29	Mn	Al, Ni, Sn
15	Fе	Mn, Co, Bi	30	Cd	Mn, Ni, Pb

ЭЛЕКТРОЛИЗ

Электролиз – это окислительно-восстановительные процессы, протекающие при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита.

При электролизе энергия электрического тока превращается в химическую энергию, осуществляется процесс, обратный по характеру происходящему в гальваническом элементе. Как в любой электрохимической системе, при электролизе на аноде происходит окисление, а на катоде – восстановление. Анодом является положительный, а катодом – отрицательный электрод. Характер протекания электродных процессов при электролизе зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются состав электролита, материал электродов и режим электролиза (температура, напряжение, плотность тока и др.).

При электролизе расплавов протекают три одновременных процесса: направленное движение катионов электролита к катоду, а анионов к аноду; восстановление катионов на катоде; окисление анионов на аноде.

Электролиз растворов электролитов более сложен из-за возможности участия в электродных процессах молекул воды:

восстановление на катоде 2Н₂O + 2ē = H₂ + 2OH^

и окисление на аноде 2Н₂O – 4ē = O₂ + 4H⁺.

В тех случаях, когда на одном и том же электроде возможно протекание двух или большего числа процессов, наиболее вероятен тот, осуществление которого связано с минимальной затратой энергии. Это означает, что на катоде восстанавливаются в первую очередь окисленные формы окислительно-восстановительных систем с наибольшим электродным потенциалом, а на аноде окисляются восстановленные формы с наименьшим электродным потенциалом.

В реальных процессах этот порядок выделения (разряда частиц) часто нарушается из-за перенапряжения на электродах, вызванного их поляризацией и другими побочными процессами. Поэтому для определения порядка протекания окислительно-восстановительных процессов на электродах при электролизе водных растворов можно руководствоваться следующими практическими правилами.

Катодные процессы

В первую очередь восстанавливаются катионы металлов, имеющих стандартный электродный потенциал, больший, чем у водорода (E^o_H⁺_{/ Н} = 0), в порядке уменьшения Е^o.
Катионы металлов с малым стандартным электродным потенциалом (от Li⁺ до Al³⁺ включительно) не восстанавливаются, а вместо них восстанавливаются молекулы воды (в кислой среде – ионы Н⁺).
Катионы металлов, имеющих стандартный электродный потенциал, меньший, чем у водорода, но больший, чем у алюминия, восстанавливаются одновременно с молекулами воды.

Анодные процессы

Характер окислительных процессов зависит от материала анода. Различают нерастворимые (инертные) и растворимые (активные) аноды.

Инертные электроды изготавливаются обычно из графита, угля, платины. В процессе электролиза они химически не изменяются, а служат лишь для передачи электронов во внешнюю цепь. При использовании инертных анодов надо помнить, что:

В первую очередь окисляются простые анионы (за исключением F^) в порядке возрастания их стандартных электродных потенциалов (S²^, J^, Вr^, Сl^)
Анионы кислородсодержащих кислот (СО₃²^_,NO₃^, SO₄²^, РО₄³^ и др.) на аноде не окисляются; идет окисление молекул воды.
В щелочных растворах на аноде окисляются ионы ОН^:

4OH^  4ē = O₂ + 2H₂O.

При использовании растворимых анодов, изготовленных из меди, цинка, серебра, никеля и других металлов, источником электронов является сам анод за счет окисления его материала:

Me – nē = Meⁿ⁺.

Примеры решения задач

Пример 7

Приведите уравнения процессов, происходящих на электродах при электролизе водного раствора СuCl₂, если: а) электроды инертные; б) электроды медные.

Решение

В водном растворе СuCl₂ содержатся ионы Сu²⁺, Сl^ и молекулы воды.

В случае инертного анода окислению могут подвергаться ионы СI^ или молекулы H₂O. Поскольку галогенид-ионы разряжаются в первую очередь, то окисляться будут именно они.

Анодный процесс: 2Cl^  2ē = Cl₂.

На катоде возможно восстановление катионов Сu²⁺, либо молекул Н₂О. Поскольку Е^о_С_u²⁺_{/ С}_u= 0,33 В больше, чем у водорода, E^o_H⁺_{/ Н} = 0, то восстанавливаться будут только ионы меди.

Катодный процесс: Сu²⁺ + 2ē = Cu.

б) В случае медного анода речь идет о растворимом (активном) аноде. Окисляться будет материал анода.

Анодный процесс: Cu^o2ē = Cu²⁺.

Катодный процесс при этом не зависит от материала анода и заключается в восстановлении ионов Сu²⁺, как и в случае а).

Катодный процесс: Сu²⁺ + 2ē = Cu.

Пример 8

В какой последовательности будут выделяться металлы при электролизе раствора, содержащего в одинаковой концентрации нитраты никеля, серебра, меди?

Решение

В результате диссоциации солей в растворе будут присутствовать ионы металлов: Ni²⁺, Ag⁺, Сu²⁺.

Сравним значения стандартных электродных потенциалов соответствующих металлов.

Е^o_Ni²⁺_/_Ni₌0,25 В; Е^o_Аg⁺_{/ А}_g₌+0,80 В; Е^o_Cu²⁺/_Cu = +0,34 В.

В первую очередь восстанавливаются катионы металлов, имеющих стандартный электродный потенциал, больший, чем у водорода, в порядке уменьшения Е^o_Meⁿ⁺/_Ме.

Следовательно, первыми будут восстанавливаться ионы серебра:

Ag⁺+ ē = Ag.

Затем будет протекать восстановление ионов меди:

Cu²⁺+ 2ē = Cu.

В последнюю очередь будут восстанавливаться ионы никеля, причем одновременно с молекулами воды:

Ni²⁺+ 2ē = Ni;

2Н₂О + 2ē = Н₂ + 2ОН^.

Пример 9

При какой силе тока проводили электролиз, если при электролизе раствора в течение 1 ч 40 мин 25с на катоде выделилось 0,7 л (н.у.) водорода при 50 %-ном выходе по току?

Решение

Из формулы объединенного закона Фарадея с учетом выхода по току  следует:

I =

.

Эквивалентный объем водорода при н.у. V_эк(Н₂) =

V_м(Н₂)=

22,4 = 11,2 л/моль. Время электролиза 1 ч 40 мин 25 с = 6025 с.

I =

А.

Электролиз проводили при силе тока 2 А.

Пример 10

При электролизе раствора СuSO₄ на аноде выделилось 168 см³ газа (н.у.). Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах, и вычислите, какая масса меди выделилась на катоде.

Какое вещество и в каком количестве образовалось в прианодном пространстве?

Решение

Так как SO₄²^ – анион кислородсодержащей кислоты, на аноде будут окисляться молекулы воды.

Процесс на аноде: 2H₂O – 4ē = O₂ + 4H⁺.

Процесс на катоде: Сu²⁺ + 2ē = Сu.

Согласно закону Фарадея, на электродах выделяются равные эквивалентные количества веществ, кислорода и меди.

n_эк(О₂) = n_эк(Cu) или

откуда

m (Сu) =

г.

Отрицательно заряженные ионы SO₄²^ будут направляться к аноду электролизера, но из-за высокого потенциала разряда окисляться не будут. Вместе с образующимися в анодной реакции ионами Н⁺ они образуют в прианодном пространстве серную кислоту. Количество образовавшейся Н₂SO₄ эквивалентно количествам всех других продуктов электролиза:

n_эк(H₂SО₄) = n_эк(O₂) = n_эк(Cu).

Масса серной кислоты

m (H₂SO₄) =

г.

Задания для самоподготовки

Задание 7

Составьте уравнения процессов, протекающих на электродах при электролизе водного раствора заданного электролита с электродами из указанного материала (табл. 7).

Таблица 7

Варианты задания 7

№ п/п	Раствор электролита	Материал электродов	№ п/п	Раствор электролита	Материал электродов
1	FeCl₃	Fe	16	SnCl₂	Sn
2	CuCl₂	Cu	17	Ni(NO₃)₂	C-графит
3	CdSO₄	C-графит	18	Cu(NO₃)₂	Cu
4	CdCl₂	Cd	19	ZnSO₄	Zn
5	Cr₂(SO₄)₃	Cr	20	АgNO₃	Аg
6	Co(NO₃)₂	C- уголь	21	ZnCl₂	C-уголь
7	Ni(NO₃)₂	Ni	22	Cd(NO₃)₂	Рt
8	МnCl₂	Рt	23	CdSO₄	Cd
9	NiCl₂	Ni	24	CuCl₂	Cu
10	Cu(NO₃)₂	C- уголь	25	ZnSO₄	Рt
11	CoSO₄	Cо	26	МnCl₂	Mn
12	Pb(NO₃)₂	Рb	27	SnCl₂	C-графит
13	Zn(NO₃)₂	Zn	28	CrCl₃	Рt
14	CoSO₄	Рt	29	MnSO₄	Mn
15	АgNO₃	C-графит	30	Co(NO₃)₂	Co

Задание 8

Водный раствор, содержащий ионы электролитов (табл. 8) в одинаковой концентрации, подвергли электролизу с инертными электродами.

8.1. Укажите, какие частицы способны подвергаться окислению, а какие – восстановлению.

8.2. Составьте уравнения возможных анодных и катодных процессов с указанием последовательности их протекания.

Таблица 8

Варианты задания 8

№ п/п	Ионы электролитов	№ п/п	Ионы электролитов
1	Be²⁺, Сu²⁺, NO₃^, Ag⁺	16	Ba²⁺, OH^, Сl^, NO₃^
2	Al³⁺, NO₃^, Hg²⁺, Fe²⁺	17	Hg²⁺, Pb²⁺, ⁺, NO₃^, Ni²⁺
3	SO₄^2-, Cd²⁺, Сl^, Мg²⁺	18	J^, Nа⁺, Co²⁺, Ag⁺
4	Тi²⁺, Sn²⁺, Cl^, NO₃^-	19	Mn²⁺, Fe²⁺, SO₄²^, Вr^
5	Co²⁺, SO₄²^, J^, Сu²⁺	20	Cd²⁺, Сl^, Ca²⁺, Fe²⁺
6	Сr³⁺, SO₄²^, Ni²⁺, Na⁺	21	SiO₃²^, К⁺, Na⁺, Сl^
7	Рb²⁺, Zn²⁺, NO₃^, Сl^	22	Sr²⁺, S²^, К⁺, Сl^
8	SO₄²^, Сu²⁺, Al³⁺, К⁺	23	Cr³⁺,SO₄²^, Сu²⁺, J^
9	Nа⁺, SO₄²^, OH^, Br^	24	Bi³⁺, NO₃^, Ag⁺, Ca²⁺
10	Ag⁺, NO₃^, Zn²⁺, Ca²⁺	25	Ва²⁺, Na⁺, OH^, CI^
11	Сr³⁺, Co²⁺, SO₄²^, NO₃^	26	NO₃^, Сu²⁺, Мg²⁺, Bi³⁺
12	Hg²⁺, Сu²⁺, NO₃^, Ba²⁺	27	Al³⁺, J^, Cr³⁺, Fe²⁺
13	Sn²⁺, Сl^, Ni²⁺, K⁺	28	Ca²⁺, Сl^, SO₄²^,Mn²⁺
14	S²^, Na⁺, K⁺, J^	29	Zn²⁺, Сu²⁺, SO₄²^, Br^
15	Мg²⁺, Cl^, Sn²⁺, SO₄²^,	30	Fe³⁺, Fe²⁺, NO₃^, Сl^

Blog

Методические указания к самостоятельной работе по общей химии для студентов Iкурса всех специальностей, изучающих химию