Exemplul 3: Electrolizarea unei soluții de sulfat de potasiu K2S04.
Într-o soluție apoasă de sulfat de potasiu, sunt prezenți ioni K +. , formate în timpul disocierii sarelor și a ionilor H + și OH- din apă.
Având în vedere că ionii K + se elimină mai greu decât ionii H +. dar ionii decât ionii OH -. atunci când curentul electric trece prin catod, ionii de hidrogen din apă vor fi evacuați. la grupurile anodice - hidroxil din apă, ceea ce înseamnă, de fapt, electroliza apei.
Ecuația globală a procesului va arăta astfel:
În același timp, datorită descărcării ionilor de hidrogen și hidroxil și apă continuă deplasare K + ionilor la catod, iar ionii la anod la catod este format din soluție alcalină (KOH), iar la anod - soluție de acid sulfuric.
Exemplul 4 Electroliza unei soluții de sulfat de cupru cu un anod solubil (activ) de cupru.
Într-un mod special, electroliza are loc cu electrozi solubili. În acest caz, anodul este fabricat din același metal, a cărui sare este în soluție. În acest caz, nu sunt evacuați ioni din soluție la anod și materialul anodului în sine este oxidat. și anume anodul însuși se dizolvă treptat, trimițând ioni în soluție și dând electroni sursei de curent.
Cationii de cupru formați la anod se deplasează în soluția de sare către catod. Procesul de reducere este redus la eliberarea de cupru la catod:
Cantitatea de CuSO4 din soluție rămâne neschimbată.
Astfel, în procesul de electroliză cu electrozi solubili, materialul electrodului (în cazul nostru cupru) este transferat de la anod la catod.
Relațiile cantitative în electroliză
Calculele cantitative ale proceselor de electroliză se efectuează pe baza legilor lui M. Faraday.
Prima lege a lui Faraday.
Masa substanței eliberată pe electrod în timpul electrolizei este proporțională cu cantitatea de energie electrică care trece prin soluție.
unde m este masa substanței reduse sau oxidate (g); k - coeficientul de proporționalitate (echivalentul electrochimic) (g / CI); Q este cantitatea de energie electrică care trece prin electrolit (Cl).
Reamintim că pandantivul (Кл) - cantitatea de energie electrică care trece prin conductor la un curent de 1 ampere (A) într-un timp de 1 s.
Cantitatea de energie electrică Q se calculează ca produsul curentului I în amperi pentru un timp t în secunde.
Echivalentul electrochimic (k) este masa unei substanțe care este recuperată la catod sau oxidată la anod, pe măsură ce trece printr-o soluție electrică de 1lC. Valoarea echivalentului electrochimic poate fi calculată prin formula:
unde Meq. - masa molară a echivalentului acestei substanțe (g / mol); F este constanta lui Faraday.
Constanta Faraday este cantitatea de energie electrică necesară pentru a extrage 1 mol de substanță echivalentă din soluție (F = 96500 Cl / mol). Această cantitate de energie electrică este egală cu o încărcătură de 1 mol (6,02 × 10 23) electroni.
Masa molară a echivalentului pentru element, la rândul său, poate fi găsită ca un coeficient al împărțirii masei molare a elementului în valența sa:
Meq (Ag) = = = 108 g / mol,
Meq (Ag) = = = 108 g / mol,
Meqv (Cu) = = = 32 g / mol,
Mequ (Al) = = 9 g / mol.
Dacă 96.500 de celule de electricitate sunt trecute prin catod, vor fi eliberate 108 g de argint, 32 g de cupru sau respectiv 9 g de aluminiu.
Astfel, în calculele cantitative ale procesului de electroliză, se pot utiliza următoarele formule:
A doua lege a lui Faraday.
Masele de substanțe oxidate și recuperate pe electrozi, atunci când aceeași cantitate de energie electrică este trecută prin soluție, sunt proporționale cu masele moleculare ale echivalenților lor.
Este util să se aibă în vedere că, dacă evacuarea unuia ion încărcat individual (de exemplu, Na + Cl -.) Necesită un electron, atunci alocarea de soluție 1 mol din aceeași ioni de electrolit necesar număr de electroni egal cu numărul de Avogadro - 6.02 · 1023 (1 mol de electroni). Acest număr de electroni are doar o încărcătură totală egală cu 96500 Cl. Prin urmare, descărcarea 1 mol de ioni încărcați dublu nevoie de a 2 moli de electroni, sau cantitatea electrică, egală cu 2 · CI 96500, etc.
Folosind formulele de mai sus, este posibilă efectuarea unei serii de calcule legate de procesul de electroliză, de exemplu:
găsiți puterea curentului în funcție de cantitatea de materie eliberată și de timpul petrecut în alocarea sa;
Stabiliți cât timp va dura pentru a aloca o anumită cantitate de substanță la o anumită putere curentă.
Aplicarea practică a electrolizei
Procesele electrochimice sunt utilizate pe scară largă în diferite domenii ale tehnologiei și tehnologiei moderne. Utilizând electroliza la scară industrială, se obțin clor și fluor, alcalii, clorați și perclorați, hidrogen și oxigen chimic pur, etc.
În metalurgia neferoasă, electroliza este utilizată pentru a extrage metalele din minereuri. Electroliza mediilor topite produce aluminiu, magneziu, titan, zirconiu, uraniu, beriliu și alte metale. Rafinarea electrochimică este utilizată pentru purificarea metalelor. Pentru rafinarea (curățarea) metalului prin electroliză, plăcile sunt turnate din acesta și așezate ca anozi într-un electrolizer. Când curentul este trecut, metalul care urmează să fie purificat este supus unei dizolvări anodice, i. trece în soluție sub formă de cationi. Apoi, acești cationi metalici sunt descărcați la catod. astfel încât se formează un precipitat de metal pur. Impuritățile din anod rămân insolubile (cad în formă de șlam de anod) sau intră în soluția de electrolit și sunt îndepărtate.
Galvanotehnica este un domeniu de electrochimie aplicată care se ocupă cu procesele de aplicare a acoperirilor metalice pe suprafața produselor atât metalice cât și nemetalice atunci când trec un curent electric constant prin soluții ale sărurilor lor. În special, este necesar să se țină seama de importanța acoperirilor galvanice în tehnologii înalte (HiTec), cum ar fi ingineria microstructurală, electronică și altele. Galvanicul este împărțit în galvanizare și electroformare.
Galvanica (din capacul grecesc.) - este electrodepuse pe suprafața metalică a unui alt metal, care este strâns asociat cu metalul de acoperire (sau nemetalice special subiect tratat) servind drept catod celulei. Acoperire articole de zinc, cadmiu, nichel, crom, aur și alte metale dă produsul nu numai aspectul frumos, dar, de asemenea, protejează metalul de corodare.
Galvanoplastia - producerea prin electroliză a unor copii metalice precise (detașabile) din diferite obiecte de relief nemetalice și metalice. Cu ajutorul busturilor de fabricare a electrotype, statui etc.
În plus, prin electroliză:
să primească pelicule protectoare și decorative de oxid pe suprafața metalelor (anodizare);
efectuarea procesării dimensionale electrochimice a metalului (măcinarea electrochimică);
tratarea suprafeței unui produs metalic (polizare electrochimică);
efectuarea colorării electrochimice a metalelor, efectuarea ascuțirii electrochimice a uneltelor de tăiere (de exemplu, cuțite chirurgicale, aparate de ras, etc.)
aplicați acoperiri metalice pe acoperiri metalice uzate pentru reparare,
Aplicați acoperiri de smalț într-o metodă electrostatică sub formă de pulbere.
12.1. ÎNTREBĂRI PENTRU AUTO-CONTROL
1. Ce este electroliza?
2. Ce procese au loc în timpul electrolizei?
3. Cum este aranjată celula?
4. Ce încărcare are anodul în timpul electrolizei, a) catodul?
5. La ce electrod se fac cationi în timpul electrolizei?
6. Cum este încărcat electrodul la electroliză prin anion?
7. Care este procesul de electroliză:
a) pe anod, b) pe catod?
8. Ce tipuri de anozi sunt folosite în electroliză?
9. Care este procesul de electroliză pe un anod solubil?
10. Ce materiale sunt fabricate din anozi inerți (insolubili)?
11. Care este secvența de descărcare a ionilor în timpul electrolizei la anod?
12. Care este ordinea reducerii cationilor în timpul electrolizei la catod?
13. Pe baza legii care se stabilește dependența de masa substanței formate în timpul electrolizei. din timp, curent și natura electrolitului?
14. Dați formula primei legi a lui Faraday.
15. Faceți formularea celei de-a doua legi a lui Faraday.
16. Care este semnificația constantei Faraday?
17. Care este echivalentul electrochimic? Ce dimensiune are aceasta?
18. Cum se calculează echivalentul electrochimic pentru metale?
19. Cum pot calcula masa molară a unui metal echivalent?
20. Care este rezultatul curent?
21. Care sunt aplicațiile electrolizei?
12.2. Exemple de rezolvare a sarcinilor tipice pe această temă
Exemplul 1. Câte grame de cupru vor fi eliberate la catod când un curent de 5 amperi trece printr-o soluție de sulfat de cupru (II) CuSO4 timp de 10 minute?
Determinați cantitatea de energie electrică care trece prin soluție:
unde am curent curent; t este timpul în secunde.
Q = 5A ∙ 600 s = 3000 A ∙ s = 3000 pandantiv.
Masa molară a echivalentului de cupru (masa molară 64) este 64: 2 = 32 g / mol. Prin urmare, 96500 pandantive secreta 32 g de cupru. Cantitatea necesară de cupru:
Exemplul 2. Cât durează să treacă un curent acid de 10 amperi prin soluția acidă pentru a obține 5,6 litri de hidrogen (pentru nu)?
Masa molară a echivalentului de hidrogen este:
Masa molară a hidrogenului M (H2) = 2 g / mol. Un mol de molecule de hidrogen are o masă de 2 g și ocupă la nr. volumul de 22,4 litri. Rezultă întotdeauna că 1 mol echivalent de hidrogen, având o masă de 1 g, ocupă la n. y. volumul de 11,2 litri. Pentru a extrage 1 mol de echivalenți din soluție, este necesar 1 Faraday de electricitate (96500 Cl).
Gasim cantitatea de energie electrica care trebuie sa treaca prin solutie, astfel incat sa se elibereze 5,6 litri de hidrogen.
Cantitatea solicitată de energie electrică:
11,2 l - 96500 CI,
Să determinăm timpul trecerii curentului:
t = Q / I = 48250/10 = 4825 s = 1 h 20 min 25 s.
EXEMPLUL 3 Când un curent a fost trecut printr-o soluție de azotat de argint pe catod, acesta a fost eliberat în 10 minute. 1 g de argint. Determinați curentul.
Masa a 1 mol de echivalenți de argint este de 108 g. Pentru a izola 1 g de argint prin soluție, 96,500: 108 894 pandantive trebuie să treacă prin. De aici puterea curentului:
Exemplul 4. Găsiți masa molară a echivalentului de staniu, dacă la un curent de 2,5 amperi dintr-o soluție de clorură de staniu (II) SnCI2 în 30 de minute. un staniu de 2,77 g.
Cantitatea de energie electrică care a trecut prin soluție în 30 de minute. va fi egal cu:
Q = 2,5 ∙ 30 ∙ 60 = 4 500 de cuburi.
Deoarece pentru separarea a 1 mol de echivalenți cantitatea de energie electrică necesară este de 96.500 coulomburi, masa molară a echivalentului de staniu:
MEq. (Sn) = (2.77, 96500) / 4500 = 59,4 g / mol.
12.2. OBIECTIVE ȘI EXERCIȚII
1. Se indică numărul sub care este dată formula substanței din soluția apoasă de clorură de sodiu eliberată pe catod în timpul electrolizei?
2. Care este numărul procesului care are loc pe catod în timpul electrolizei unei soluții apoase de sulfat de sodiu?
1) 2H2O-4e 02 + 4H +. 3) Na + + 2e Na 0,
3. Care polul bateriei (pozitiv sau negativ) trebuie să fie conectat la un obiect de oțel atunci când este placat cu nichel? Specificați numărul de răspuns corect:
1) cu o reacție negativă,
2) cu pozitiv.
4. Introduceți numărul sau suma numerelor condiționate. sub care există formule de substanțe pentru care este imposibil să se efectueze procesul de electroliză a topiturii:
5. O soluție apoasă care conține un amestec de cupru, plumb, argint, potasiu, zinc și nitrați de litiu cu aceleași concentrații a fost supusă electrolizei. Se indică masa molară a substanței. care vor fi recuperate la catod în primul rând.
6. În ce număr se află secvența dată în conformitate cu care metale vor fi eliberate la catod în electroliza soluțiilor lor apoase care conțin ioni de Zn2 +. Ag +. Cu 2+ de aceeași concentrație?
1) Cu Ag Zn, 2) Cu Zn Ag, 3) Zn Cu Ag, 4) Ag Zn Cu, 5) Ag Cu Zn.
7. Introduceți numărul sau valoarea numerelor condiționale sub care sunt localizate denumirile substanțelor. în electroliza soluțiilor apoase din care doar metalul este eliberat pe catod.
2) clorură de cupru (II)
8) nitrat de argint,
16) sulfură de sodiu.
8. Se indică numărul sau cantitatea numerelor condiționate sub care sunt localizate denumirile substanțelor, în cazul electrolizei soluțiilor apoase din care numai hidrogenul este eliberat pe catod.
2) clorură de nichel (II)
4) bromură de calciu,
8) nitrat de argint,
16) iodură de sodiu.
9. Se indică numărul sau cantitatea numerelor condiționate sub care se găsesc denumirile substanțelor, în electroliza soluțiilor apoase din care hidrogenul și metalul sunt eliberați pe catod:
1) clorură de crom (III)
2) sulfat de cupru (II)
8) nitrat de argint,
16) sulfat de zinc.
10. Se indică numărul sau cantitatea numerelor condiționate sub care se găsesc denumirile substanțelor, la electroliza soluțiilor apoase ale căror oxigen este eliberat la anod:
1) fluorură de argint,
2) clorură de cupru (II)
8) nitrat de argint,
16) hidroxid de sodiu.
11. Se indică numărul sau cantitatea numerelor condiționate sub care se găsesc denumirile substanțelor, la electroliza soluțiilor apoase ale căror fracție de masă în soluție scade:
1) azotat de argint,
2) clorură de cupru (II)
4) sulfat de potasiu,
8) azotat de sodiu,
16) fluorură de potasiu.
12. Indicați numărul sub care este enumerată denumirea celui mai puternic oxidant:
3) acid sulfuric concentrat,
4) curent electric la anod în timpul electrolizei,
5) curentul electric la catod în timpul electrolizei?
13. În ce număr sunt formulele substanțelor eliberate pe electrozi în electroliza unei soluții apoase de azotat de argint?
14. Sub ce număr este formula substanței formate în soluție după terminarea procesului de electroliză a soluției de clorură de sodiu indicată?
1) Na, 2) H2, 3) Cl2, 4) NaOH, 5) NaCI03.
15. În ce număr este indicată culoarea indicelui metiloranglei indicat în soluția de la catod, când se electroliză soluția apoasă de iodură de potasiu?
16. Se indică numărul sau cantitatea numerelor condiționate sub care se găsesc denumirile substanțelor, produsele de electroliză care sunt aceleași pentru soluții și pentru topituri:
1) fluorură de argint,
2) clorură de cupru (II)
8) clorura de mercur (II),
16) hidroxid de sodiu.
17. Se indică numărul sau cantitatea numerelor condiționate sub care sunt localizate denumirile substanțelor, în electroliza soluțiilor apoase ale căror ape participă la procesele de oxidare-reducere la electrozii:
1) fluorură de argint,
2) bromură de cupru (II)
8) clorura de mercur (II,
16) sulfat de sodiu.
18. Să furnizeze numărul sau cantitatea numerelor condiționate sub care sunt localizate denumirile substanțelor, la electroliza soluțiilor apoase ale căror este posibil să se obțină un alcalin:
1) clorură de magneziu,
8) clorura de mercur (II),
16) sulfat de sodiu.
19. În cazul electrolizei unei soluții apoase de sulfat de cupru (II) cu un anod de cupru, masa catodică a crescut cu 320 g. Cât de mulți ioni de cupru (în mol) au fost transferați în soluție?
20. Furnizați numărul sau suma numerelor condiționale sub care sunt localizate formulele de sare, în electroliza soluțiilor apoase de care nu există eliberare de metal:
21. Aceeași cantitate de energie electrică a fost trecută prin electrolizi cu soluții apoase de nitrat de mercur (II) și azotat de argint. În același timp, mercurul a fost eliberat în masă de 402 g. Care este masa în grame de argint eliberată?
22. Se calculează cantitatea de clor în litri (nu), care poate fi obținută prin electroliza topiturii de clorură de sodiu cu o masă de 585 g, în condițiile în care clorura de sodiu este consumată complet.
23. În timpul electrolizei soluției de sulfat de cupru cu electrozi de cupru, masa catodului a crescut cu 40 g. Câtă energie electrică (în pandantive) a fost trecută prin soluție?
24. Cât de mult hidroxid de potasiu (în grame) este produs atunci când 48250 coulomburi de energie electrică trec prin soluția de sare de potasiu?
25. Ce procent de cadmiu a fost eliberat la catod, dacă un curent de 3,35 A a fost trecut prin soluția de sulfat de cadmiu timp de o oră? Încheiați răspunsul la un număr întreg și dați în grame.
26. Ce fel de argint a fost eliberat la catod, dacă un curent electric de 0,67 A a fost trecut printr-o soluție de azotat de argint timp de 20 de ore? Încheiați răspunsul la un număr întreg și dați în grame.
27. Electroliza unei soluții de clorură de metal alcalin a condus la formarea unui alcalin cu o masă de 3,06 g și clor cu un volum de 336 ml (nu). Determinați masa atomică relativă a metalului alcalin.