Электролиз расплавов и растворов электролитов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электролиз расплавов и растворов электролитов

Электролиз - это совокупность процессов, проходящих на электродах при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита. Электролиты - проводники электрического тока. Катод - восстановителем (отдает электроны катионам). Анод - окислителем (принимает электроны от анионов).

Сущность электролиза состоит в осуществлении за счет электрической энергии химических реакций - восстановления на катоде (К) и окисления на аноде (А). Эти процессы называются процессами (реакциями) электровосстановления и электроокисления.

Электролиз расплавов солей

1) Все катионы металлов восстанавливаются на катоде:

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

2) Анионы бескислородных кислот окисляются на аноде:

А(+): 2ClЇ - 2e->Cl2

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

А(+): 2SO42? - 4e- > 2SO3 + O2

Электролиз водных растворов электролитов

На ход процесса электролиза и характер конечных продуктов

- природа растворителя,

- материал электродов,

- плотность тока.

Катодные процессы

электролиз катодный анодный ток

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

Li < K < Rb < Cs < Ba < Ca < Na < Mg < Al < Mn < Cr < Zn < Fe < Cd < Co < Ni < Sn < Pb < H2 < Cu < Ag < Hg < Pt < Au

1) Катионы металлов, имеющие электродный потенциал более высокий, чем у ионов водорода Н+, 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 + 2OHЇ

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 + 2OHЇ

Таким образом, характер катодного процесса при электролизе водных растворов электролитов определяется, прежде всего, положением соответствующего металла в ряду напряжения.

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 (S2?, IЇ, BrЇ, ClЇ) 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:

4OHЇ - 4e- > O2 + 2H2O

в кислых и нейтральных растворах:

2H2O - 4e- > O2 + 4H+

Задачи

1.Установите соответствие между формулой соли и уравнением процесса, протекающего на аноде при электролизе её водного раствора.

Формула соли Уравнение электродного процесса

А) KCl 1) 2H2O - 4e > O2 + 4H+

Б) AlBr3 2) 2H2O + 2e > H2 + 2OH-

В) CuSO4 3) 2Cl- -2e > Cl20

Г) AgNO3 4) 2Br- - 2e > Br20

5) 2SO42- -2e > S2O82-

6) 2NO3- -2e > 2NO2 + O2

2. Установите соответствие между формулой соли и продуктом, образующимся на инертном аноде при электролизе её водного раствора.

Формула соли Продукт на аноде

А) RbSO4 1) метан

Б) CH3COOK 2) сернистый газ

В) BaBr2 3) кислород

Г) CuSO4 4) водород

5) бром

6) этан и углекислый газ

3. Установите соответствие между формулой соли и уравнением процесса, протекающего на катоде при электролизе её водного раствора.

Формула соли катодный процесс

А) Al(NO3)3 1) 2H2O - 4e > O2 + 4H+

Б) CuCl2 2) 2H2O + 2e > H2 + 2OH-

В) SbCl2 3) Cu2+ + 2e > Cu0

Г) Cu(NO3)2 4) Cu2+ + 1e > Cu+

5) Sb3+ +3e> Sb0

4. Установите соответствие между названием вещества и способом его получения.

Название вещества Получение электролизом

А) литий 1) раствора LiF

Б) фтор 2) расплава LiF

В) серебро 3) раствора MgCl2

Г) магний 4) раствора AgNO3

5) расплава Ag2O

6) расплава MgCl2

5. Установите соответствие между названием вещества и продуктами электролиза его водного раствора

Название вещества Продукты электролиза

А) бромид калия 1) водород, бром, гидроксид калия

Б) сульфат меди (II) 2) натрий, углекислый газ

В) бромид меди (II) 3) медь, оксид серы (IV)

4) медь, кислород, серная кислота

5) медь, бром

6. Установите соответствие между названием вещества и основными газообразными продуктами электролиза его водного раствора.

Название вещества газообразный продукт электролиза

А) хлорид кальция 1) кислород, водород

Б) нитрат кальция 2) водород, хлор

В) фторид серебра 3) оксид азота (IV)

Г) нитрат серебра 4) кислород

5) водород

6) хлор

7) фтор

7. Установите соответствие между названиями вещества и электролитическим способом его получения.

Название вещества электролиз

А) хлор 1) водного раствора хлорида меди

Б) этан 2) водного раствора бромида натрия

В) натрий 3) водного раствора ацетата калия

Г) бром 4) расплава фторида натрия

5) водного раствора перхлората калия

6) водного раствора этановой кислоты

8. Установите соответствие между формулой вещества и продуктами электролиза его водного раствора на инертных электродах.

Формула вещества продукты электролиза

А) натрий 1) водного раствора солей

Б) алюминий 2) водного раствора гидроксида

В) серебро 3) расплава поваренной соли

Г) медь 4) расплавленного оксида

5) раствора оксида в расплавленном криолите

9. Установите соответствие между формулой вещества и продуктами электролиза его водного раствора на инертных электродах.

Формула вещества Продукт электролиза

А) AlCl3 1) металл, галоген

Б) RbOH 2) гидроксид металла, хлор, водород

В) Hg(NO3)2 3) металл, кислород

Г) AuCl3 4) металл, кислота, кислород

5) водород, кислород

6) водород, галоген

10. Установите соответствие между формулой соли и реакцией ее водного раствора

ФОРМУЛА СОЛИ	ПРОДУКТ ЭЛЕКТРОЛИЗА
А) Na2SO4	1) SO2
Б) Ca(NO3)2	2) O2
В) Zn(Br2)	3) NO2
Г) CuCl2	4) Br2
	5) Cl2 6) H2

11. Составьте схемы электролиза водных растворов: а) сульфата меди б) хлорида магния; в) сульфата калия. Во всех случаях электролиз проводится с использованием угольных электродов.

Решение.

а) В растворе сульфат меди диссонирует на ионы:

СuSО4  Сu2+ + SO42-

Ионы меди могут восстанавливаться, на катоде в водном растворе. Сульфат-ионы в водном растворе не окисляются, поэтому на аноде будет протекать окисление воды. Схема электролиза:



б) Диссоциация хлорида магния в водном растворе:

MgCl2+ Mg2++2Сl-

Ионы магния не могут восстанавливаться в водном растворе (идет восстановление воды), хлорид-ионы -- окисляются. Схема электролиза:

в) Диссоциация сульфата калия в водном растворе:

К2SО4 2К+ + SO42-

Ионы калия и сульфат-ионы не могут разряжаться на электродах в водном растворе, следовательно, на катоде будет протекать восстановление, а на аноде -- окисление воды. Схема электролиза:

или, учитывая, что 4Н+ + 4ОН- = 4Н2О (осуществляется при перемешивании),

2H2O 2H2 + O2

Электролиз 400 г 8,5%-ного раствора нитрата серебра продолжали до тех пор, пока масса раствора не уменьшилась на 25 г. Вычислите массовые доли соединений в растворе, полученном после окончания электролиза, и массы веществ, выделившихся на инертных электродах.

Решение. При электролизе водного раствора АgNО3 на катоде происходит восстановление ионов Аg+, а на аноде -- окисление молекул воды:

Катод: Аg+ + е = Аg.

Анод: 2Н2О - 4е = 4Н+ + О2.

Суммарное уравнение:

4AgNО3 + 2Н2О = 4Agv + 4НNО3 + О2^.

v(АgNО3) = 400.0,085 / 170 = 0,2 моль.

При полном электролитическом разложении данного количества соли выделяется 0,2 моль Аg массой 0,2.108 = 21,6 г и 0,05 моль О2 массой 0,05.32 = 1,6 г. Общее уменьшение массы раствора за счет серебра и кислорода составит 21,6+1,6 = 23,2 г.

При электролизе образовавшегося раствора азотной кислоты разлагается вода:

2H2O = 2Н2^ + O2^.

Потеря массы раствора за счет электролиза воды составляет 25 - 23,2 = 1,8 г. Количество разложившейся воды равно: v(Н20) = 1,8/18 = 0,1. На электродах выделилось 0,1 моль Н2 массой 0,1.2 = 0,2 г и 0,1/2 = 0,05 моль О2 массой 0,05.32 = 1,6 г. Общая масса кислорода, выделившегося на аноде в двух процессах, равна 1,6+1,6 = 3,2 г.

В оставшемся растворе содержится азотная кислота: v(НNO3) = v(AgNО3) = 0,2 моль, m(НNО3) = 0,2.63 = 12,6 г. Масса раствора после окончания электролиза равна 400-25 = 375 г. Массовая доля азотной кислоты: щ(НNО3) = 12,6/375 = 0,0336, или 3,36%.

Ответ. щ(НNО3) = 3,36%, на катоде выделилось 21,6 г Аg и 0,2 г Н2, на аноде -- 3,2 г О2.

12. Составить уравнение реакции восстановления Fe3O4 водородом

Решение. Запишем схему процесса с указанием изменения степеней окисления элементов:

Составляем электронные уравнения:

Найденные коэффициенты проставляем в схему процесса, заменяя стрелку на знак равенства:

Fе3О4 + 4Н2 = ЗFе + 4Н2О

Смешали 200 мл 20%-ного раствора гидроксида натрия (плотностью 1,22 г/мл) и 150 мл 30%-ного раствора соляной кислоты (плотностью 1,15 г/мл). Определите среду полученного раствора и массовую долю хлорида натрия в нём.

К раствору, полученному при добавлении 3,9 г калия к 100 мл воды, добавили 50 мл 38%-ного раствора соляной кислоты (плотностью 1,19 г/мл). Определите массовую долю соли в полученном растворе.

Для полного окисления некоторого количества угля потребовалось столько кислорода, сколько образуется при разложении 100 г нитрата натрия, содержащего 15% бескислородной примеси. Определите массу сгоревшего угля и объём газообразного продукта его окисления (при н.у.).

К раствору, полученному при добавлении 20 г гидрида калия к 500 мл воды, прилили 100 мл 32%-ного раствора соляной кислоты (плотностью 1,16 г/мл).

Размещено на Allbest.ru