ماژول 2. فرآیندهای شیمی پایه و خواص مواد

کار آزمایشگاهی شماره 7

موضوع: الکترولیز محلول های آبی نمک

الکترولیزفرآیند ردوکس نامیده می شود که در طول عبور روی الکترودها اتفاق می افتد، جریان الکتریسیتهاز طریق محلول یا الکترولیت مذاب.

هنگامی که جریان الکتریکی مستقیم از محلول الکترولیت یا مذاب عبور می کند، کاتیون ها به سمت کاتد و آنیون ها به سمت آند حرکت می کنند. فرآیندهای ردوکس در الکترودها رخ می دهد. کاتد یک عامل کاهنده است، زیرا به کاتیون ها الکترون می دهد، و آند یک عامل اکسید کننده است، زیرا الکترون ها را از آنیون ها می پذیرد. واکنش هایی که روی الکترودها رخ می دهد به ترکیب الکترولیت، ماهیت حلال، مواد الکترودها و حالت کار الکترولیز بستگی دارد.

شیمی فرآیند الکترولیز کلرید کلسیم مذاب:

CaCl 2 ↔ Ca 2 + + 2Cl -

در کاتد Ca 2+ + 2e→ Ca°

در آند 2Сl - - 2е→ 2С1° → С1 2

الکترولیز محلول سولفات پتاسیم بر روی یک آند نامحلول به صورت شماتیک به این صورت است:

K 2 SO 4 ↔ 2K + + SO 4 2 -

H 2 O ↔ H + + OH -

در کاتد 2Н + + 2е→2Н°→ Н 2 2

در آند 4OH - 4e → O 2 + 4H + 1

K 2 SO 4 + 4H 2 O 2H 2 + O 2 + 2K0H + H 2 SO 4

هدف کار:آشنایی با الکترولیز محلول های نمکی

ابزار و تجهیزات:یکسو کننده جریان الکتریکی، الکترولیز، الکترودهای کربن، کاغذ سنباده، فنجان، ماشین لباسشویی.

برنج. 1. دستگاه برای هدایت

الکترولیز

1 - الکترولیز;

2 - الکترودها;

3-سیم های رسانا; منبع جریان مستقیم.

معرف ها و محلول ها:محلول 5% کلرید مس CuC1 2، یدید پتاسیم KI , پتاسیم هیدروژن سولفات KHSO 4، سولفات سدیم Na 2 SO 4، سولفات مس CuSO 4، سولفات روی ZnSO 4، محلول هیدروکسید سدیم 20% NaOH، صفحات مس و نیکل، محلول فنل فتالئین، اسید نیتریک (مجموع) HNOch 3، 1% محلول، کاغذ تورنسل خنثی، محلول اسید سولفوریک 10% H 2 SO 4.

آزمایش 1. الکترولیز کلرید مس با الکترودهای نامحلول

الکترولیز را تا نصف حجم با محلول 5% کلرید مس پر کنید. یک میله گرافیتی را در هر دو زانویی الکترولایزر پایین بیاورید، آنها را با تکه های لوله لاستیکی محکم کنید. انتهای الکترودها را با هادی ها به منابع جریان مستقیم وصل کنید. در صورت استشمام بوی خفیف کلر، فوراً الکترولیز را از منبع تغذیه جدا کنید. در کاتد چه اتفاقی می افتد؟ معادلات واکنش های الکترود را بنویسید.

آزمایش 2. الکترولیز یدید پتاسیم با الکترودهای نامحلول

الکترولیز را با محلول یدید پتاسیم 5 درصد پر کنید. 2 قطره فنل فتالئین را به هر زانو اضافه کنید. چسباندن Vهر الکترولیز الکترودهای گرافیتی زانویی را تشکیل داده و آنها را به یک منبع DC متصل کنید.

در کدام آرنج و چرا محلول رنگی شد؟ 1 قطره خمیر نشاسته را به هر زانو اضافه کنید. کجا و چرا ید آزاد می شود؟ معادلات واکنش های الکترود را بنویسید. چه چیزی در فضای کاتد تشکیل شد؟

آزمایش 3. الکترولیز سولفات سدیم با الکترودهای نامحلول

نیمی از حجم الکترولیز را با محلول سولفات سدیم 5 درصد پر کنید و به هر زانو 2 قطره متیل اورانژ یا تورنسل اضافه کنید. الکترودها را در هر دو زانو قرار دهید و آنها را به منبع DC متصل کنید. مشاهدات خود را ثبت کنید. چرا محلول های الکترولیت در الکترودهای مختلف رنگ های متفاوتی پیدا کردند؟ معادلات واکنش های الکترود را بنویسید. چه گازهایی در الکترودها آزاد می شوند و چرا؟ جوهر فرآیند الکترولیز محلول آبی سولفات سدیم چیست؟

الکترولیز

یکی از روش های تولید فلزات، الکترولیز است. فلزات فعال در طبیعت فقط به صورت ترکیبات شیمیایی وجود دارند. چگونه می توان این ترکیبات را در حالت آزاد جدا کرد؟

محلول ها و مذاب های الکترولیت ها جریان الکتریکی را هدایت می کنند. با این حال، هنگامی که جریان از محلول الکترولیت عبور می کند، واکنش های شیمیایی ممکن است رخ دهد. بیایید در نظر بگیریم که اگر دو صفحه فلزی در محلول یا مذاب یک الکترولیت قرار گیرند که هر کدام به یکی از قطب های منبع جریان متصل می شوند چه اتفاقی می افتد. این صفحات الکترود نامیده می شوند. جریان الکتریکی یک جریان متحرک از الکترون ها است. همانطور که الکترون های مدار از یک الکترود به الکترود دیگر حرکت می کنند، الکترون های اضافی در یکی از الکترودها ظاهر می شود. الکترون ها دارای بار منفی هستند، بنابراین این الکترود دارای بار منفی است. به آن کاتد می گویند. در الکترود دیگر کمبود الکترون ایجاد می شود و بار مثبت پیدا می کند. این الکترود را آند می نامند. یک الکترولیت در یک محلول یا مذاب به یون های دارای بار مثبت - کاتیون ها و یون های با بار منفی - آنیون ها تجزیه می شود. کاتیون ها به الکترود با بار منفی جذب می شوند - کاتد. آنیون ها به یک الکترود با بار مثبت - آند - جذب می شوند. در سطح الکترودها، برهمکنش بین یون ها و الکترون ها می تواند رخ دهد.

الکترولیز به فرآیندهایی اطلاق می شود که هنگام عبور جریان الکتریکی از محلول ها یا ذوب الکترولیت ها اتفاق می افتد.

فرآیندهایی که در طول الکترولیز محلول ها و مذاب الکترولیت ها اتفاق می افتد کاملاً متفاوت است. بیایید هر دوی این موارد را با جزئیات در نظر بگیریم.

الکترولیز مذاب ها

به عنوان مثال، الکترولیز مذاب کلرید سدیم را در نظر بگیرید. در مذاب، کلرید سدیم به یون تجزیه می شود Na+
و Cl - : NaCl = Na + + Cl -

کاتیون های سدیم به سطح یک الکترود با بار منفی - کاتد - حرکت می کنند. در سطح کاتد مقدار زیادی الکترون وجود دارد. بنابراین الکترون ها از سطح الکترود به یون های سدیم منتقل می شوند. در این مورد، یون ها Na+ تبدیل به اتم های سدیم می شود، یعنی کاهش کاتیون ها رخ می دهد Na+ . معادله فرآیند:

Na + + e - = Na

یون کلرید Cl - حرکت به سطح یک الکترود با بار مثبت - آند. کمبود الکترون در سطح آند ایجاد می شود و الکترون ها از آنیون ها منتقل می شوند Cl- به سطح الکترود. در همان زمان، یون های دارای بار منفی Cl- به اتم های کلر تبدیل می شوند که بلافاصله ترکیب می شوند و مولکول های کلر C را تشکیل می دهند l 2:

2С l - -2е - = Cl 2

یون های کلرید الکترون های خود را از دست می دهند، یعنی اکسید می شوند.

اجازه دهید معادلات فرآیندهای رخ داده در کاتد و آند را با هم بنویسیم

Na + + e - = Na

2 C l - -2 e - = Cl 2

یک الکترون در احیای کاتیون های سدیم و 2 الکترون در اکسیداسیون یون های کلر نقش دارند. اما قانون پایستگی بار الکتریکی باید رعایت شود، یعنی بار کل تمام ذرات محلول باید ثابت باشد.بنابراین تعداد الکترون های دخیل در احیای کاتیون های سدیم باید با تعداد الکترون ها برابر باشد. در اکسیداسیون یون های کلرید نقش دارند بنابراین معادله اول را در 2 ضرب می کنیم:

Na + + e - = Na 2

2С l - -2е - = Cl 2 1

بیایید هر دو معادله را با هم جمع کنیم و معادله واکنش کلی را بدست آوریم.

2 Na + + 2С l - = 2 Na + Cl 2 (معادله واکنش یونی)، یا

2 NaCl = 2 Na + Cl 2 (معادله واکنش مولکولی)

بنابراین، در مثال در نظر گرفته شده، می بینیم که الکترولیز یک واکنش ردوکس است. در کاتد، کاهش یون های دارای بار مثبت - کاتیون ها - رخ می دهد، و در آند، اکسیداسیون یون های دارای بار منفی - آنیون ها. شما می توانید به خاطر داشته باشید که با استفاده از "قانون T" کدام فرآیند رخ می دهد:

کاتد - کاتیون - احیا.

مثال 2.الکترولیز هیدروکسید سدیم مذاب.

سدیم هیدروکسید در محلول به کاتیون ها و یون های هیدروکسید تجزیه می شود.

کاتد (-)<-- Na + + OH - à Анод (+)

در سطح کاتد، کاتیون های سدیم کاهش می یابد و اتم های سدیم تشکیل می شوند:

کاتد (-) Na + +e à Na

در سطح آند، یون های هیدروکسید اکسید می شوند، اکسیژن آزاد می شود و مولکول های آب تشکیل می شود:

کاتد (-) Na + + e à Na

آند (+)4 OH - – 4 e à 2 H 2 O + O 2

تعداد الکترون های دخیل در واکنش احیا کاتیون های سدیم و در واکنش اکسیداسیون یون های هیدروکسید باید یکسان باشد. بنابراین، بیایید معادله اول را در 4 ضرب کنیم:

کاتد (-) Na + + e à Na 4

آند (+)4 OH - – 4 e à 2 H 2 O + O 2 1

بیایید هر دو معادله را با هم جمع کنیم و معادله واکنش الکترولیز را بدست آوریم:

4 NaOH à 4 Na + 2 H 2 O + O 2

مثال 3.الکترولیز مذاب را در نظر بگیرید Al2O3

با استفاده از این واکنش، آلومینیوم از بوکسیت، یک ترکیب طبیعی که حاوی مقدار زیادی اکسید آلومینیوم است، به دست می‌آید. نقطه ذوب اکسید آلومینیوم بسیار بالا است (بیش از 2000 درجه سانتیگراد)، بنابراین افزودنی های خاصی به آن اضافه می شود تا نقطه ذوب به 800-900 درجه سانتیگراد کاهش یابد. در مذاب، اکسید آلومینیوم به یون تجزیه می شود. Al 3+ و O 2- . اچ و کاتیون ها در کاتد احیا می شوند Al 3+ تبدیل شدن به اتم های آلومینیوم:

Al +3 e à Al

آنیون ها در آند اکسید می شوند O2- ، تبدیل به اتم های اکسیژن می شود. اتم های اکسیژن بلافاصله به مولکول های O2 ترکیب می شوند:

2 O 2- – 4 e à O 2

تعداد الکترون‌هایی که در فرآیندهای احیای کاتیون‌های آلومینیوم و اکسیداسیون یون‌های اکسیژن دخیل هستند باید برابر باشد، بنابراین اجازه دهید معادله اول را در 4 و دومی را در 3 ضرب کنیم:

Al 3+ +3 e à Al 0 4

2 O 2- – 4 e à O 2 3

بیایید هر دو معادله را اضافه کنیم و بدست آوریم

4 Al 3+ + 6 O 2- à 4 Al 0 +3 O 2 0 (معادله واکنش یونی)

2 Al 2 O 3 à 4 Al + 3 O 2

الکترولیز محلول ها

در مورد عبور جریان الکتریکی از محلول الکترولیت آبی، موضوع به دلیل این واقعیت پیچیده می شود که محلول حاوی مولکول های آب است که می تواند با الکترون ها نیز برهمکنش داشته باشد. به یاد بیاورید که در یک مولکول آب، اتم های هیدروژن و اکسیژن توسط یک پیوند کووالانسی قطبی به هم متصل می شوند. الکترونگاتیوی اکسیژن بیشتر از هیدروژن است، بنابراین جفت الکترون های مشترک به سمت اتم اکسیژن سوگیری می کنند. یک بار منفی جزئی روی اتم اکسیژن ایجاد می‌شود که با δ- نشان داده می‌شود و یک بار مثبت جزئی روی اتم‌های هیدروژن ایجاد می‌شود که به δ+ نشان داده می‌شود.

δ+

N-O δ-

│

H δ+

به دلیل این جابجایی بارها، مولکول آب دارای "قطب های" مثبت و منفی است. بنابراین، مولکول های آب را می توان توسط قطب دارای بار مثبت به الکترود با بار منفی - کاتد، و توسط قطب منفی - به الکترود با بار مثبت - آند جذب کرد. در کاتد، کاهش مولکول‌های آب می‌تواند رخ دهد و هیدروژن آزاد می‌شود:

در آند، اکسیداسیون مولکول های آب می تواند رخ دهد و اکسیژن آزاد می شود:

2 H 2 O - 4e - = 4H + + O 2

بنابراین، کاتیون های الکترولیت یا مولکول های آب را می توان در کاتد احیا کرد. به نظر می رسد این دو فرآیند با یکدیگر رقابت می کنند. اینکه واقعاً چه فرآیندی در کاتد رخ می دهد به ماهیت فلز بستگی دارد. اینکه کاتیون‌های فلزی یا مولکول‌های آب در کاتد کاهش می‌یابند به موقعیت فلز در کاتد بستگی دارد. محدوده تنش های فلزی .

Li K Na Ca Mg Al ¦¦ Zn Fe Ni Sn Pb (H 2) ¦¦ Cu Hg Ag Ag Au

اگر فلز در سری ولتاژ سمت راست هیدروژن باشد، کاتیون های فلزی در کاتد احیا شده و فلز آزاد آزاد می شود. اگر فلز در سری ولتاژ سمت چپ آلومینیوم باشد، مولکول های آب در کاتد کاهش یافته و هیدروژن آزاد می شود. در نهایت، در مورد کاتیون های فلزی از روی به سرب، یا تکامل فلز یا تکامل هیدروژن می تواند رخ دهد، و گاهی اوقات تکامل هیدروژن و فلز می تواند به طور همزمان رخ دهد. به طور کلی، این یک مورد نسبتاً پیچیده است؛ بسیاری به شرایط واکنش بستگی دارد: غلظت محلول، جریان الکتریکی و موارد دیگر.

یکی از دو فرآیند نیز می تواند در آند رخ دهد - یا اکسیداسیون آنیون های الکترولیت یا اکسیداسیون مولکول های آب. اینکه کدام فرآیند واقعاً رخ می دهد به ماهیت آنیون بستگی دارد. در طی الکترولیز نمکهای اسیدهای بدون اکسیژن یا خود اسیدها، آنیونها در آند اکسید می شوند. تنها استثنا یون فلوراید است F- . در مورد اسیدهای حاوی اکسیژن، مولکول های آب در آند اکسید شده و اکسیژن آزاد می شود.

مثال 1.بیایید به الکترولیز محلول آبی کلرید سدیم نگاه کنیم.

محلول آبی کلرید سدیم حاوی کاتیون های سدیم خواهد بود Na +، آنیون های کلر Cl - و مولکول های آب.

2 NaCl à 2 Na + + 2 Cl -

2H 2 O à 2 H + + 2 OH -

کاتد (-) 2 Na + ; 2H+; 2Н + + 2е à Н 0 2

آند (+) 2 Cl - ; 2 OH - ; 2 Cl - – 2е à 2 Cl 0

2NaCl + 2H 2 O à H 2 + Cl 2 + 2 NaOH

شیمیایی فعالیت آنیون ها بعید است کاهش می دهد.

مثال 2.و اگر نمک حاوی SO 4 2- ? اجازه دهید الکترولیز محلول سولفات نیکل را در نظر بگیریم ( II ). سولفات نیکل ( II ) به یون تجزیه می شود Ni 2+ و SO 4 2-:

NiSO 4 à Ni 2+ + SO 4 2-

H 2 O à H + + OH -

کاتیون های نیکل بین یون های فلزی قرار دارند Al 3+ و Pb 2+ ، با اشغال یک موقعیت میانی در سری ولتاژ، فرآیند بازیابی در کاتد طبق هر دو طرح انجام می شود:

2 H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH -

آنیون های اسیدهای حاوی اکسیژن در آند اکسید نمی شوند. سری فعالیت آنیون ) اکسیداسیون مولکول های آب رخ می دهد:

آند e à O 2 + 4H +

اجازه دهید معادلات فرآیندهای رخ داده در کاتد و آند را با هم بنویسیم:

کاتد (-) Ni 2+ ; H+; Ni 2+ + 2е à Ni 0

2 H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH -

آند (+) SO 4 2- ; OH - 2H 2 O - 4 e à O 2 + 4H +

4 الکترون در فرآیندهای احیا و 4 الکترون نیز در فرآیندهای اکسیداسیون دخیل هستند. بیایید این معادلات را با هم جمع کنیم و معادله واکنش کلی را بدست آوریم:

Ni 2 + + 2 H 2 O + 2 H 2 O à Ni 0 + H 2 + 2OH - + O 2 + 4 H +

در سمت راست معادله هر دو H + و وجود دارداوه- که ترکیب می شوند و مولکول های آب را تشکیل می دهند:

H + + OH - à H 2 O

بنابراین، در سمت راست معادله، به جای 4 یون H + و 2 یوناوه- بیایید 2 مولکول آب و 2 یون H + بنویسیم:

Ni 2 + + 2 H 2 O + 2 H 2 O à Ni 0 + H 2 + 2 H 2 O + O 2 + 2 H +

بیایید دو مولکول آب را در دو طرف معادله کاهش دهیم:

Ni 2 + + 2 H 2 O à Ni 0 + H 2 + O 2 + 2 H +

این یک معادله یونی کوتاه است. برای به دست آوردن معادله کامل یونی، باید یک یون سولفات به هر دو طرف اضافه کنید SO 4 2- که در طی تفکیک سولفات نیکل ( II ) و عدم شرکت در واکنش:

Ni 2+ + SO 4 2- +2H 2 O à Ni 0 + H 2 + O 2 + 2H + + SO 4 2-

بنابراین، در طول الکترولیز محلول سولفات نیکل ( II ) هیدروژن و نیکل در کاتد و اکسیژن در آند آزاد می شوند.

NiSO 4 + 2H 2 O à Ni + H 2 + H 2 SO 4 + O 2

مثال 3. معادلات فرآیندهایی را که در جریان الکترولیز محلول آبی سولفات سدیم با آند بی اثر رخ می دهد بنویسید.

پتانسیل استاندارد سیستم الکترود Na + + e = Na 0 به طور قابل توجهی منفی تر از پتانسیل الکترود آبی در یک محیط آبی خنثی است (-0.41 V) بنابراین، کاهش الکتروشیمیایی آب در کاتد همراه با آزاد شدن هیدروژن رخ می دهد.

2H 2 O à 2 H + + 2 OH -

و یون های Na + آمدن به کاتد در قسمتی از محلول مجاور آن (فضای کاتد) تجمع می یابد.

اکسیداسیون الکتروشیمیایی آب در آند رخ می دهد که منجر به آزاد شدن اکسیژن می شود

2 H 2 O – 4e à O 2 + 4 H +

از آنجایی که مربوط به این سیستم است پتانسیل الکترود استاندارد (1.23 V) به طور قابل توجهی کمتر از پتانسیل استاندارد الکترود (2.01 V) است که سیستم را مشخص می کند.

2 SO 4 2- + 2 e = S 2 O 8 2- .

یون های SO 4 2- حرکت به سمت آند در حین الکترولیز در فضای آند تجمع می یابد.

با ضرب معادله فرآیند کاتدی در دو و جمع کردن آن با معادله فرآیند آندی، معادله کل فرآیند الکترولیز را به دست می آوریم:

6 H 2 O = 2 H 2 + 4 OH - + O 2 + 4 H +

با در نظر گرفتن اینکه تجمع همزمان یون ها در فضای کاتد و یون ها در فضای آند رخ می دهد، معادله کلی فرآیند را می توان به شکل زیر نوشت:

6H 2 O + 2Na 2 SO 4 = 2H 2 + 4Na + + 4OH - + O 2 + 4H + + 2SO 4 2-

بدین ترتیب، همزمان با آزاد شدن هیدروژن و اکسیژن، هیدروکسید سدیم (در فضای کاتد) و اسید سولفوریک (در فضای آند) تشکیل می شود.

مثال 4.الکترولیز محلول سولفات مس ( II) CuSO 4.

کاتد (-)<-- Cu 2+ + SO 4 2- à анод (+)

کاتد (-) Cu 2+ + 2e à Cu 0 2

آند (+) 2H 2 O – 4 e à O 2 + 4H + 1

یون های H+ در محلول باقی می مانند SO 4 2- ، زیرا اسید سولفوریک تجمع می یابد.

2CuSO 4 + 2H 2 O à 2Cu + 2H 2 SO 4 + O 2

مثال 5. الکترولیز محلول کلرید مس ( II) CuCl 2.

کاتد (-)<-- Cu 2+ + 2Cl - à анод (+)

کاتد (-) Cu 2+ + 2e à Cu 0

آند (+) 2Cl - – 2e à Cl 0 2

هر دو معادله شامل دو الکترون است.

Cu 2+ + 2e à Cu 0 1

2Cl - --– 2e à Cl 2 1

Cu 2+ + 2 Cl - à Cu 0 + Cl 2 (معادله یونی)

CuCl 2 à Cu + Cl 2 (معادله مولکولی)

مثال 6. الکترولیز محلول نیترات نقره AgNO3.

کاتد (-)<-- Ag + + NO 3 - à Анод (+)

کاتد (-) Ag + + e à Ag 0

آند (+) 2H 2 O – 4 e à O 2 + 4H +

Ag + + e à Ag 0 4

2H 2 O – 4 e à O 2 + 4H + 1

4 Ag + + 2 H 2 O à 4 Ag 0 + 4 H + + O 2 (معادله یونی)

4 Ag + + 2 اچ 2 Oà 4 Ag 0 + 4 اچ + + O 2 + 4 نه 3 - (معادله یونی کامل)

4 AgNO 3 + 2 اچ 2 Oà 4 Ag 0 + 4 HNO 3 + O 2 (معادله مولکولی)

مثال 7. الکترولیز محلول اسید هیدروکلریکHCl.

کاتد (-)<-- اچ + + Cl - à آند (+)

کاتد (-) 2اچ + + 2 هà اچ 2

آند (+) 2Cl - – 2 هà Cl 2

2 اچ + + 2 Cl - à اچ 2 + Cl 2 (معادله یونی)

2 HClà اچ 2 + Cl 2 (معادله مولکولی)

مثال 8. الکترولیز محلول اسید سولفوریکاچ 2 بنابراین 4 .

کاتد (-) <-- 2H + + SO 4 2- à آند (+)

کاتد (-)2H+ + 2eà H 2

آند(+) 2H 2 O - 4هà O2 + 4H+

2H+ + 2eà H 2 2

2H 2 O - 4هà O2 + 4H+1

4H+ + 2H2Oà 2H 2 + 4H + + O 2

2H2Oà 2H2 + O2

مثال 9. الکترولیز محلول هیدروکسید پتاسیمKOH.

کاتد (-)<-- ک + + اوه - à آند (+)

کاتیون‌های پتاسیم در کاتد کاهش نمی‌یابند، زیرا پتاسیم در سری ولتاژ فلزات در سمت چپ آلومینیوم قرار دارد، در عوض، کاهش مولکول‌های آب رخ می‌دهد:

2H 2 O + 2eà H 2 + 2OH - 4OH - -4eà 2H 2 O + O 2

کاتد(-) 2H 2 O + 2eà H 2 + 2OH - 2

آند(+) 4OH - - 4eà 2H 2 O + O 2 1

4H 2 O + 4OH -à 2H 2 + 4OH - + 2H 2 O + O 2

2 اچ 2 Oà 2 اچ 2 + O 2

مثال 10. الکترولیز محلول نیترات پتاسیمKNO 3 .

کاتد (-) <-- K + + NO 3 - à آند (+)

2H 2 O + 2eà H 2 + 2OH - 2H 2 O - 4هà O2+4H+

کاتد(-) 2H 2 O + 2eà H2+2OH-2

آند(+) 2H 2 O - 4هà O2 + 4H+1

4H 2 O + 2H 2 Oà 2H 2 + 4OH - + 4H ++ O2

2H2Oà 2H2 + O2

هنگامی که جریان الکتریکی از محلول های اسیدهای حاوی اکسیژن، قلیایی ها و نمک های اسیدهای حاوی اکسیژن با فلزات واقع در سری ولتاژ فلزات در سمت چپ آلومینیوم عبور می کند، عملاً الکترولیز آب رخ می دهد. در این حالت هیدروژن در کاتد و اکسیژن در آند آزاد می شود.

نتیجه گیری هنگام تعیین محصولات الکترولیز محلول های آبی الکترولیت ها، در ساده ترین موارد می توان با ملاحظات زیر راهنمایی کرد:

1. یون های فلزی با مقدار جبری کوچک از پتانسیل استاندارد - ازلی + قبل ازال 3+ فراگیر - تمایل بسیار ضعیفی برای اضافه کردن مجدد الکترون ها دارند و از این نظر نسبت به یون ها پایین تر هستند.اچ + (سانتی متر. سری فعالیت کاتیونی). در طول الکترولیز محلول های آبی ترکیبات حاوی این کاتیون ها، یون ها عملکرد یک عامل اکسید کننده را در کاتد انجام می دهند.اچ + ، بازیابی طبق طرح:

2 اچ 2 O+ 2 هà اچ 2 + 2OH -

2. کاتیون های فلزی با مقادیر مثبت پتانسیل استاندارد (مس 2+ , Ag + , HG 2+ و غیره) تمایل بیشتری به افزودن الکترون نسبت به یون ها دارند. در طول الکترولیز محلول های آبی نمک های آنها، عملکرد عامل اکسید کننده در کاتد توسط این کاتیون ها آزاد می شود، در حالی که طبق این طرح به فلز تبدیل می شود، به عنوان مثال:

مس 2+ +2 هà مس 0

3. در جریان الکترولیز محلول های آبی نمک های فلزیروی, Fe, سی دی, نیو غیره، با اشغال یک موقعیت میانی در سری ولتاژ بین گروه های ذکر شده، فرآیند کاهش در کاتد طبق هر دو طرح اتفاق می افتد. جرم فلز آزاد شده در این موارد با مقدار جریان الکتریکی که بخشی از آن صرف تشکیل هیدروژن می شود، مطابقت ندارد.

4. در محلول های آبی الکترولیت ها، آنیون های تک اتمی (Cl - , برادر - , جی - آنیون های حاوی اکسیژن (نه 3 - , بنابراین 4 2- , P.O. 4 3- و دیگران)، و همچنین یون های هیدروکسیل آب. از این میان، یون های هالید دارای خواص احیایی قوی تری هستند، به استثنایاف. یون هااوهیک موقعیت میانی بین آنها و آنیون های چند اتمی اشغال می کند. بنابراین، در طول الکترولیز محلول های آبیHCl, HBr, H.J.یا نمک های آنها در آند، اکسیداسیون یون های هالید طبق طرح زیر انجام می شود:

2 ایکس - -2 هà ایکس 2 0

هنگام الکترولیز محلول های آبی سولفات ها، نیترات ها، فسفات ها و غیره. عملکرد یک عامل کاهنده توسط یون ها انجام می شود که طبق طرح زیر اکسید می شوند:

4 HOH – 4 هà 2 اچ 2 O + O 2 + 4 اچ +

.

وظایف.

ز آ کلبه 1. در طول الکترولیز محلول سولفات مس، 48 گرم مس در کاتد آزاد شد. حجم گاز آزاد شده در آند و جرم اسید سولفوریک تشکیل شده در محلول را بیابید.

سولفات مس در محلول هیچ یونی را تجزیه نمی کندC 2+ واس0 4 2 ".

CuS0 4 = Cu 2+ + S0 4 2 "

اجازه دهید معادلات فرآیندهای رخ داده در کاتد و آند را بنویسیم. کاتیون های مس در کاتد کاهش می یابند و الکترولیز آب در آند رخ می دهد:

Cu 2+ +2e- = Cu12

2H 2 0-4e- = 4H + + 0 2 |1

معادله کلی الکترولیز به صورت زیر است:

2Cu2+ + 2H2O = 2Cu + 4H+ + O2 (معادله یونی کوتاه)

2 یون سولفات را به دو طرف معادله اضافه می کنیم که در حین تفکیک سولفات مس تشکیل می شوند و معادله یونی کامل بدست می آید:

2Cu2+ + 2S042" + 2H20 = 2Cu + 4H+ + 2SO4 2" + O2

2CuSO4 + 2H2O = 2Cu + 2H2SO4 + O2

گاز آزاد شده در آند اکسیژن است. اسید سولفوریک در محلول تشکیل می شود.

جرم مولی مس 64 گرم بر مول است، مقدار ماده مس را محاسبه می کنیم:

طبق معادله واکنش، وقتی 2 مول مس در کاتد آزاد می شود، 1 مول اکسیژن در آند آزاد می شود. 0.75 مول مس در کاتد آزاد می شود، اجازه دهید x مول اکسیژن در آند آزاد شود. بیایید یک تناسب ایجاد کنیم:

2/1=0.75/x، x=0.75*1/2=0.375mol

0.375 مول اکسیژن در آند آزاد شد،

v(O2) = 0.375 مول.

بیایید حجم اکسیژن آزاد شده را محاسبه کنیم:

V(O2) = v(O2) «VM = 0.375 mol «22.4 l/mol = 8.4 l

با توجه به معادله واکنش، وقتی 2 مول مس در کاتد آزاد می شود، 2 مول اسید سولفوریک در محلول تشکیل می شود، به این معنی که اگر 0.75 مول مس در کاتد آزاد شود، 0.75 مول اسید سولفوریک تشکیل می شود. در محلول، v(H2SO4) = 0.75 مول. بیایید جرم مولی اسید سولفوریک را محاسبه کنیم:

M(H2SO4) = 2-1+32+16-4 = 98 گرم بر مول.

بیایید جرم اسید سولفوریک را محاسبه کنیم:

m(H2S04) = v(H2S04>M(H2S04) = = 0.75 mol «98 g/mol = 73.5 g.

پاسخ: 8.4 لیتر اکسیژن در آند آزاد شد. 73.5 گرم اسید سولفوریک در محلول تشکیل شد

مسئله 2. حجم گازهای آزاد شده در کاتد و آند را در طی الکترولیز محلول آبی حاوی 111.75 گرم کلرید پتاسیم بیابید. چه ماده ای در محلول تشکیل شد؟ جرم آن را بیابید.

کلرید پتاسیم در محلول به یون های K+ و Cl تجزیه می شود:

2KС1 =К+ + Сl

یون های پتاسیم در کاتد احیا نمی شوند، در عوض، مولکول های آب کاهش می یابند. در آند، یون های کلرید اکسید شده و کلر آزاد می شود:

2H2O + 2e" = H2 + 20H-|1

2SG-2e" = C12|1

معادله کلی الکترولیز به صورت زیر است:

2СГl+ 2Н2О = Н2 + 2ОН" + С12 (معادله یونی کوتاه) محلول همچنین حاوی یون های K+ است که در طی تفکیک کلرید پتاسیم تشکیل شده و در واکنش شرکت نمی کنند:

2K+ + 2Cl + 2H20 = H2 + 2K+ + 2OH" + C12

بیایید معادله را به شکل مولکولی بازنویسی کنیم:

2KS1 + 2H2O = H2 + C12 + 2KON

هیدروژن در کاتد، کلر در آند آزاد می شود و هیدروکسید پتاسیم در محلول تشکیل می شود.

محلول حاوی 111.75 گرم کلرید پتاسیم بود.

بیایید جرم مولی کلرید پتاسیم را محاسبه کنیم:

M(KS1) = 39+35.5 = 74.5 گرم بر مول

بیایید مقدار کلرید پتاسیم را محاسبه کنیم:

طبق معادله واکنش، در جریان الکترولیز 2 مول کلرید پتاسیم، 1 مول کلر آزاد می شود. اجازه دهید الکترولیز 1.5 مول کلرید پتاسیم x mol کلر تولید کند. بیایید یک تناسب ایجاد کنیم:

2/1=1.5/x، x=1.5 /2=0.75 مول

0.75 مول کلر آزاد می شود، v(C!2) = 0.75 mol. طبق معادله واکنش، وقتی 1 مول کلر در آند آزاد می شود، 1 مول هیدروژن در کاتد آزاد می شود. بنابراین، اگر 0.75 مول کلر در آند آزاد شود، 0.75 مول هیدروژن در کاتد آزاد می شود، v(H2) = 0.75 mol.

بیایید حجم کلر آزاد شده در آند را محاسبه کنیم:

V(C12) = v(Cl2)-VM = 0.75 مول «22.4 l/mol = 16.8 l.

حجم هیدروژن برابر با حجم کلر است:

Y(H2) = Y(C12) = 16.8l.

طبق معادله واکنش، الکترولیز 2 مول کلرید پتاسیم، 2 مول هیدروکسید پتاسیم تولید می کند، به این معنی که از الکترولیز 0.75 مول کلرید پتاسیم، 0.75 مول هیدروکسید پتاسیم تولید می شود. بیایید جرم مولی هیدروکسید پتاسیم را محاسبه کنیم:

M(KOH) = 39+16+1 - 56 گرم در مول.

بیایید جرم هیدروکسید پتاسیم را محاسبه کنیم:

m(KOH) = v(KOH>M(KOH) = 0.75 mol-56 g/mol = 42 g.

پاسخ: 16.8 لیتر هیدروژن در کاتد، 16.8 لیتر کلر در آند آزاد شد و 42 گرم هیدروکسید پتاسیم در محلول تشکیل شد.

مسئله 3. در طول الکترولیز محلول 19 گرم کلرید فلز دو ظرفیتی، 96/8 لیتر کلر در آند آزاد شد. تعیین کنید کدام فلز کلرید تحت الکترولیز قرار گرفته است. حجم هیدروژن آزاد شده در کاتد را محاسبه کنید.

بیایید فلز ناشناخته M را نشان دهیم، فرمول کلرید آن MC12 است. در آند، یون های کلرید اکسید شده و کلر آزاد می شود. این شرایط می گوید که هیدروژن در کاتد آزاد می شود، بنابراین، کاهش مولکول های آب رخ می دهد:

2Н20 + 2е- = Н2 + 2ОH|1

2Cl -2e" = C12! 1

معادله کلی الکترولیز به صورت زیر است:

2Cl + 2H2O = H2 + 2OH" + C12 (معادله یونی کوتاه)

محلول همچنین حاوی یون های M2+ است که در طی واکنش تغییر نمی کنند. اجازه دهید معادله یونی کامل واکنش را بنویسیم:

2SG + M2 + + 2H2O = H2 + M2 + + 2OH- + C12

بیایید معادله واکنش را به شکل مولکولی بازنویسی کنیم:

MC12 + 2H2O - H2 + M(OH)2 + C12

بیایید مقدار کلر آزاد شده در آند را پیدا کنیم:

طبق معادله واکنش، در جریان الکترولیز 1 مول کلرید یک فلز ناشناخته، 1 مول کلر آزاد می شود. اگر 0.4 مول کلر آزاد شد، 0.4 مول کلرید فلز تحت الکترولیز قرار گرفت. بیایید جرم مولی کلرید فلز را محاسبه کنیم:

جرم مولی کلرید فلز ناشناخته 95 گرم بر مول است. در هر دو اتم کلر 35.5 اینچ = 71 گرم بر مول وجود دارد. بنابراین، جرم مولی فلز 95-71 = 24 گرم بر مول است. منیزیم مربوط به این جرم مولی است.

طبق معادله واکنش، برای 1 مول کلر آزاد شده در آند، 1 مول هیدروژن در کاتد آزاد می شود. در مورد ما، 0.4 مول کلر در آند آزاد شد، به این معنی که 0.4 مول هیدروژن در کاتد آزاد شد. بیایید حجم هیدروژن را محاسبه کنیم:

V(H2) = v(H2>VM = 0.4 mol «22.4 l/mol = 8.96 l.

پاسخ:محلولی از کلرید منیزیم تحت الکترولیز قرار گرفت. 8.96 لیتر هیدروژن در کاتد آزاد شد.

*مسئله 4. در جریان الکترولیز 200 گرم محلول سولفات پتاسیم با غلظت 15 درصد، 14.56 لیتر اکسیژن در آند آزاد شد. غلظت محلول را در پایان الکترولیز محاسبه کنید.

در محلول سولفات پتاسیم، مولکول های آب هم در کاتد و هم در آند واکنش نشان می دهند:

2Н20 + 2е" = Н2 + 20Н-|2

2H2O - 4e" = 4H+ + O2! 1

بیایید هر دو معادله را با هم جمع کنیم:

6H2O = 2H2 + 4OH" + 4H+ + O2، یا

6H2O = 2H2 + 4H2O + O2، یا

2H2O = 2H2 + 02

در واقع وقتی الکترولیز محلول سولفات پتاسیم اتفاق می افتد، الکترولیز آب اتفاق می افتد.

غلظت یک املاح در محلول با فرمول تعیین می شود:

С=m(املاح) 100% / m(محلول)

برای یافتن غلظت محلول سولفات پتاسیم در پایان الکترولیز، باید جرم سولفات پتاسیم و جرم محلول را بدانید. جرم سولفات پتاسیم در طول واکنش تغییر نمی کند. بیایید جرم سولفات پتاسیم را در محلول اصلی محاسبه کنیم. بگذارید غلظت محلول اولیه را با C نشان دهیم

m(K2S04) = C2 (K2S04) m(محلول) = 0.15 200 گرم = 30 گرم.

جرم محلول در طول الکترولیز تغییر می کند زیرا بخشی از آب به هیدروژن و اکسیژن تبدیل می شود. بیایید مقدار اکسیژن آزاد شده را محاسبه کنیم:

(O 2)=V(O2) / Vm =14.56l / 22.4l/mol=0.65mol

طبق معادله واکنش، 2 مول آب، 1 مول اکسیژن تولید می کند. بگذارید 0.65 مول اکسیژن در طی تجزیه x mol آب آزاد شود. بیایید یک تناسب ایجاد کنیم:

1.3 مول آب تجزیه شده، v(H2O) = 1.3 مول.

بیایید جرم مولی آب را محاسبه کنیم:

M(H2O) = 1-2 + 16 = 18 گرم در مول.

بیایید جرم آب تجزیه شده را محاسبه کنیم:

m(H2O) = v(H2O>M(H2O) = 1.3 mol* 18 g/mol = 23.4 g.

جرم محلول سولفات پتاسیم 23.4 گرم کاهش یافت و برابر با 200-23.4 = 176.6 گرم شد. اکنون غلظت محلول سولفات پتاسیم را در پایان الکترولیز محاسبه می کنیم:

C2 (K2 SO4) = m (K2 SO4) 100٪ / متر (محلول) = 30 گرم 100٪ / 176.6 گرم = 17٪

پاسخ:غلظت محلول در پایان الکترولیز 17٪ است.

*وظیفه 5. 188.3 گرم از مخلوط کلریدهای سدیم و پتاسیم در آب حل شد و جریان الکتریکی از محلول حاصل عبور داده شد. در طول الکترولیز، 33.6 لیتر هیدروژن در کاتد آزاد شد. ترکیب مخلوط را بر حسب درصد وزنی محاسبه کنید.

پس از حل کردن مخلوطی از کلریدهای پتاسیم و سدیم در آب، محلول حاوی یون های K+، Na+ و Cl- است. نه یون‌های پتاسیم و نه یون‌های سدیم در کاتد احیا نمی‌شوند، مولکول‌های آب کاهش می‌یابند. در آند، یون های کلرید اکسید شده و کلر آزاد می شود:

بیایید معادلات را به شکل مولکولی بازنویسی کنیم:

2KS1 + 2N20 = N2 + C12 + 2KON

2NaCl + 2H2O = H2 + C12 + 2 NaOH

اجازه دهید مقدار کلرید پتاسیم موجود در مخلوط را با x mol و مقدار کلرید سدیم را با مول نشان دهیم. طبق معادله واکنش، در جریان الکترولیز 2 مول کلرید سدیم یا پتاسیم، 1 مول هیدروژن آزاد می شود. بنابراین در حین الکترولیز x مول کلرید پتاسیم x/2 یا 0.5x مول هیدروژن و در حین الکترولیز x مول کلرید سدیم 0.5y مول هیدروژن تشکیل می شود. بیایید کمیت را پیدا کنیم مواد هیدروژنی، در طی الکترولیز مخلوط آزاد می شود:

بیایید معادله را بسازیم: 0.5x + 0.5y = 1.5

بیایید جرم مولی کلریدهای پتاسیم و سدیم را محاسبه کنیم:

M(KS1) = 39+35.5 = 74.5 گرم بر مول

M(NaCl) = 23+35.5 = 58.5 گرم بر مول

جرم x مول کلرید پتاسیم برابر است با:

m(KCl) = v(KCl)-M(KCl) = x mol-74.5 g/mol = 74.5x گرم.

جرم یک مول سدیم کلرید عبارت است از:

m(KCl) = v(KCl)-M(KCl) = y mol-74.5 g/mol = 58.5y گرم.

جرم مخلوط 188.3 گرم است، اجازه دهید معادله دوم را ایجاد کنیم:

74.5x + 58.5y = 188.3

بنابراین، ما یک سیستم دو معادله را با دو مجهول حل می کنیم:

0.5 (x + y) = 1.5

74.5x + 58.5y = 188.3 گرم

از معادله اول x را بیان می کنیم:

x + y = 1.5/0.5 = 3،

x = 3-y

با جایگزینی این مقدار x به معادله دوم، دریافت می کنیم:

74.5-(3-y) + 58.5y= 188.3

223.5-74.5y + 58.5y= 188.3

-16у = -35.2

y = 2.2 100٪ / 188.3g = 31.65٪

بیایید محاسبه کنیم کسر جرمیسدیم کلرید:

w(NaCl) = 100% - w(KCl) = 68.35%

پاسخ:مخلوط حاوی 31.65٪ کلرید پتاسیم و 68.35٪ کلرید سدیم است.

حل مسائل شیمیایی
از قانون فارادی آگاه است
دبیرستان

توسعه نویسنده

همانطور که تمرین تدریس در مدرسه نشان می دهد، در میان تنوع زیاد مسائل مختلف شیمیایی، بیشترین مشکلات ناشی از مشکلاتی است که حل آنها، علاوه بر دانش شیمیایی جامد، مستلزم تسلط کافی به مطالب درسی فیزیک است. و اگرچه هر دبیرستانی به حل ساده ترین مسائل با استفاده از دانش دو درس - شیمی و فیزیک توجه نمی کند، اما گاهی اوقات مشکلاتی از این نوع در کنکور در دانشگاه هایی که شیمی یکی از رشته های اصلی است یافت می شود. بنابراین، معلم بدون بررسی مشکلاتی از این دست در کلاس، ممکن است ناخواسته از دانش آموز خود شانس ورود به دانشگاه برای رشته شیمی را محروم کند.
توسعه این نویسنده شامل بیش از بیست وظیفه است که به هر نحوی با موضوع "الکترولیز" مرتبط است. برای حل مشکلات از این نوع، نه تنها دانش کافی از موضوع "الکترولیز" ضروری است. دوره مدرسهشیمی، بلکه برای دانستن قانون فارادی، که در دوره فیزیک مدرسه مورد مطالعه قرار می گیرد.
شاید این انتخاب مشکلات برای همه دانش آموزان کلاس جالب نباشد یا برای همه قابل دسترس نباشد. با این وجود، توصیه می شود که وظایفی از این نوع با گروهی از دانش آموزان علاقه مند در یک درس دایره ای یا انتخابی بحث شود. قابل ذکر است که مشکلات از این نوع پیچیده هستند و حداقل برای یک دوره شیمی مدرسه معمولی نیستند (ما در مورد متوسط ​​صحبت می کنیم مدرسه راهنمایی، و بنابراین وظایفی از این نوع را می توان با خیال راحت در نسخه های المپیاد شیمی مدرسه یا منطقه برای کلاس های دهم یا یازدهم گنجاند.
داشتن یک راه حل دقیق برای هر مشکل، توسعه را به یک ابزار ارزشمند، به ویژه برای معلمان مبتدی تبدیل می کند. یک معلم خلاق با پشت سر گذاشتن چندین مشکل با دانش آموزان در طول یک درس انتخابی یا یک درس باشگاهی، مطمئناً چندین مشکل مشابه را در خانه تعیین می کند و از این پیشرفت در روند بررسی تکالیف استفاده می کند که به میزان قابل توجهی در زمان ارزشمند معلم صرفه جویی می کند.

اطلاعات نظری در مورد مسئله

واکنش های شیمیاییجریان الکتریکی تحت تأثیر جریان الکتریکی روی الکترودهای قرار گرفته در محلول یا الکترولیت مذاب، الکترولیز نامیده می شود. بیایید به یک مثال نگاه کنیم.

در یک لیوان در دمای حدود 700 درجه سانتیگراد مذاب سدیم کلرید NaCl وجود دارد، الکترودها در آن غوطه ور می شوند. قبل از عبور جریان الکتریکی از مذاب، یون های Na + و Cl- بطور آشفته حرکت می کنند، اما زمانی که جریان الکتریکی اعمال می شود، حرکت این ذرات منظم می شود: یون های Na + به سمت الکترود با بار منفی هجوم می برند و Cl. - یون ها به سمت الکترود با بار مثبت.

و او- یک اتم باردار یا گروهی از اتم ها که بار دارند.

کاتیون- یک یون با بار مثبت

آنیون- یون با بار منفی

کاتد- یک الکترود با بار منفی (یونهای با بار مثبت - کاتیونها) به سمت آن حرکت می کند.

آند- یک الکترود با بار مثبت (یونهای با بار منفی - آنیونها) به سمت آن حرکت می کند.

الکترولیز مذاب کلرید سدیم بر روی الکترودهای پلاتین

واکنش کل:

الکترولیز محلول آبی کلرید سدیم روی الکترودهای کربن

واکنش کل:

یا به شکل مولکولی:

الکترولیز محلول آبی کلرید مس (II) روی الکترودهای کربن

واکنش کل:

که در سری الکتروشیمیاییفعالیت فلز، مس در سمت راست هیدروژن قرار دارد، بنابراین مس در کاتد کاهش می یابد و کلر در آند اکسید می شود.

الکترولیز محلول آبی سولفات سدیم بر روی الکترودهای پلاتین

واکنش کل:

الکترولیز محلول آبی نیترات پتاسیم به طور مشابه (الکترودهای پلاتین) اتفاق می افتد.

الکترولیز محلول آبی سولفات روی روی الکترودهای گرافیت

واکنش کل:

الکترولیز محلول آبی نیترات آهن (III) روی الکترودهای پلاتین

واکنش کل:

الکترولیز محلول آبی نیترات نقره بر روی الکترودهای پلاتین

واکنش کل:

الکترولیز محلول آبی سولفات آلومینیوم بر روی الکترودهای پلاتین

واکنش کل:

الکترولیز محلول آبی سولفات مس روی الکترودهای مس - پالایش الکتروشیمیایی

غلظت CuSO 4 در محلول ثابت می ماند، فرآیند به انتقال مواد آند به کاتد می رسد. این جوهر فرآیند پالایش الکتروشیمیایی (به دست آوردن فلز خالص) است.

هنگام ترسیم طرح های الکترولیز برای یک نمک خاص، باید به یاد داشته باشید که:

- کاتیون های فلزی که دارای پتانسیل الکترود استاندارد بالاتر (SEP) نسبت به هیدروژن (از مس تا طلا هستند) در طول الکترولیز تقریباً به طور کامل در کاتد کاهش می یابند.

- کاتیون های فلزی با مقادیر SEP کوچک (از لیتیوم تا آلومینیوم شامل) در کاتد کاهش نمی یابند، اما در عوض مولکول های آب به هیدروژن کاهش می یابد.

- کاتیون های فلزی که مقادیر SEP آنها کمتر از هیدروژن است، اما بیشتر از آلومینیوم (از آلومینیوم به هیدروژن) است، به طور همزمان با آب در طول الکترولیز در کاتد کاهش می یابد.

- اگر محلول آبی حاوی مخلوطی از کاتیون های فلزات مختلف باشد، به عنوان مثال Ag +، Cu 2+، Fe 2+، در این مخلوط ابتدا نقره و سپس مس و آهن در آخر کاهش می یابد.

- در آند نامحلول در طول فرآیند الکترولیز، اکسیداسیون آنیون ها یا مولکول های آب رخ می دهد و آنیون های S 2–, I–, Br–, Cl– به راحتی اکسید می شوند.

- اگر محلول حاوی آنیونهای اسیدهای حاوی اکسیژن، , , , باشد، مولکولهای آب در آند به اکسیژن اکسید می شوند.

- اگر آند محلول باشد، در حین الکترولیز، خود تحت اکسیداسیون قرار می گیرد، یعنی الکترون ها را به مدار خارجی می فرستد: هنگامی که الکترون ها آزاد می شوند، تعادل بین الکترود و محلول تغییر می کند و آند حل می شود.

اگر از کل سری فرآیندهای الکترود فقط آنهایی را انتخاب کنیم که با معادله کلی مطابقت دارند

م z+ + ze= م

سپس دریافت می کنیم محدوده تنش فلزی. هیدروژن نیز همیشه در این ردیف قرار می گیرد که به شما امکان می دهد ببینید کدام فلزات قادر به جابجایی هیدروژن از محلول های آبی اسیدها هستند و کدام ها نیستند (جدول).

جدول

محدوده تنش فلزی

معادله الکترود روند	استاندارد الکترود پتانسیل در 25 درجه سانتی گراد، V	معادله الکترود روند	استاندارد الکترود پتانسیل در 25 درجه سانتیگراد، V
Li + + 1 ه= لی 0	–3,045	Co 2+ + 2 ه= Co 0	–0,277
Rb + + 1 ه= Rb 0	–2,925	Ni 2+ + 2 ه= Ni 0	–0,250
K + + 1 ه= K 0	–2,925	Sn 2+ + 2 ه= Sn 0	–0,136
Cs + + 1 ه= Cs 0	–2,923	Pb 2 + + 2 ه= سرب 0	–0,126
Ca 2 + + 2 ه= Ca 0	–2,866	Fe 3+ + 3 ه= Fe 0	–0,036
Na + + 1 ه= Na 0	–2,714	2H + + 2 ه=H2	0
Mg 2 + + 2 ه= Mg 0	–2,363	Bi 3+ + 3 ه= Bi 0	0,215
Al 3+ + 3 ه= Al 0	–1,662	مس 2 + + 2 ه= مس 0	0,337
Ti 2+ + 2 ه= Ti 0	–1,628	مس + +1 ه= مس 0	0,521
Mn 2+ + 2 ه= Mn 0	–1,180	جیوه 2 2 + + 2 ه= 2Hg 0	0,788
Cr 2+ + 2 ه= Cr 0	–0,913	Ag + + 1 ه= Ag 0	0,799
Zn 2 + + 2 ه= Zn 0	–0,763	جیوه 2 + + 2 ه= جیوه 0	0,854
Cr 3+ + 3 ه= Cr 0	–0,744	نقطه 2 + + 2 ه= امتیاز 0	1,2
Fe 2+ + 2 ه= Fe 0	–0,440	Au 3+ + 3 ه= او 0	1,498
سی دی 2 + + 2 ه= سی دی 0	–0,403	طلا + + 1 ه= او 0	1,691

به شکل ساده تر، سری تنش های فلزی را می توان به صورت زیر نشان داد:

برای حل اکثر مسائل الکترولیز، دانش قانون فارادی مورد نیاز است که فرمول آن در زیر آمده است:

متر = م من تی/(z اف),

جایی که متر- جرم ماده آزاد شده روی الکترود، اف– عدد فارادی برابر با 96485 A s/mol یا 26.8 Ah/mol، م- جرم مولی عنصر در طی الکترولیز کاهش می یابد. تی- زمان فرآیند الکترولیز (بر حسب ثانیه) من- قدرت جریان (بر حسب آمپر) z- تعداد الکترون های شرکت کننده در فرآیند.

شرایط مشکل

1. در جریان الکترولیز محلول نیترات نیکل به مدت 1 ساعت با جریان 20 آمپر چه جرمی از نیکل آزاد می شود؟

2. برای به دست آوردن 0.005 کیلوگرم فلز خالص در مدت 10 ساعت، باید فرآیند الکترولیز محلول نیترات نقره را با چه قدرت جریانی انجام داد؟

3. در جریان الکترولیز مذاب کلرید مس (II) به مدت 2 ساعت با جریان 50 A چه جرمی از مس آزاد می شود؟

4. چه مدت طول می کشد تا محلول آبی سولفات روی با جریان 120 آمپر الکترولیز شود تا 3.5 گرم روی به دست آید؟

5. در جریان الکترولیز محلول سولفات آهن (III) با جریان 200 آمپر به مدت 2 ساعت چه جرمی از آهن آزاد می شود؟

6. با چه قدرت جریانی لازم است فرآیند الکترولیز محلول نیترات مس (II) انجام شود تا در عرض 15 ساعت 200 گرم فلز خالص به دست آید؟

7. چقدر طول می کشد تا مذاب کلرید آهن (II) را با جریان 30 A الکترولیز کنیم تا 20 گرم آهن خالص به دست آید؟

8. با چه قدرت جریانی لازم است فرآیند الکترولیز محلول نیترات جیوه (II) انجام شود تا در عرض 1.5 ساعت 0.5 کیلوگرم فلز خالص به دست آید؟

9. برای به دست آوردن 100 گرم فلز خالص در عرض 1.5 ساعت باید فرآیند الکترولیز کلرید سدیم مذاب را با چه قدرت جریانی انجام داد؟

10. مذاب کلرید پتاسیم به مدت 2 ساعت با جریان 5 آمپر تحت الکترولیز قرار گرفت. فلز حاصل با آب به وزن 2 کیلوگرم واکنش داد. چه غلظتی از محلول قلیایی به دست آمد؟

11. چند گرم محلول اسید کلریدریک 30 درصد برای واکنش کامل با آهن حاصل از الکترولیز محلول سولفات آهن (III) به مدت 0.5 ساعت با قدرت فعلی لازم است.
10 ها؟

12. در فرآیند الکترولیز کلرید آلومینیوم مذاب که به مدت 245 دقیقه با جریان 15 آمپر انجام شد، آلومینیوم خالص به دست آمد. چند گرم آهن را می توان با روش آلومینوترمیک از واکنش یک جرم معین آلومینیوم با اکسید آهن (III) بدست آورد؟

13. چند میلی لیتر از محلول KOH 12 درصد با چگالی 1.111 گرم در میلی لیتر برای واکنش با آلومینیوم (برای تشکیل تتراهیدروکسی آلومینات پتاسیم) که از الکترولیز محلول سولفات آلومینیوم به مدت 300 دقیقه با جریان 25 A به دست می آید، مورد نیاز است؟

14. چند میلی لیتر از محلول اسید سولفوریک 20 درصد با چگالی 1.139 گرم در میلی لیتر برای واکنش با روی حاصل از الکترولیز محلول سولفات روی به مدت 100 دقیقه در جریان 55 A لازم است؟

15. چه حجمی از اکسید نیتروژن (IV) (n.o.) با واکنش بیش از حد اسید نیتریک غلیظ داغ با کروم حاصل از الکترولیز محلول سولفات کروم (III) به مدت 100 دقیقه با جریان 75 A بدست می آید؟

16. چه حجمی از اکسید نیتروژن (II) (n.o.) از برهمکنش محلول اسید نیتریک اضافی با مس حاصل از الکترولیز مذاب کلرید مس (II) به مدت 50 دقیقه در جریان 10.5 A بدست می آید؟

17. چه مدت طول می کشد تا مذاب کلرید آهن (II) با جریان 30 A الکترولیز شود تا آهن لازم برای واکنش کامل با 100 گرم محلول اسید کلریدریک 30٪ بدست آید؟

18. چه مدت طول می کشد تا محلول نیترات نیکل با جریان 15 آمپر الکترولیز شود تا نیکل مورد نیاز برای واکنش کامل با 200 گرم محلول 35 درصد اسید سولفوریک هنگام گرم شدن بدست آید؟

19. مذاب کلرید سدیم با جریان 20 آمپر به مدت 30 دقیقه و مذاب کلرید پتاسیم به مدت 80 دقیقه با جریان 18 آمپر الکترولیز شد. هر دو فلز در 1 کیلوگرم آب حل شدند. غلظت قلیاها را در محلول به دست آمده بیابید.

20. منیزیم حاصل از الکترولیز مذاب کلرید منیزیم به مدت 200 دقیقه با قدرت فعلی
10 A، در 1.5 لیتر محلول اسید سولفوریک 25٪ با چگالی 1.178 گرم در میلی لیتر حل شده است. غلظت سولفات منیزیم را در محلول حاصل به دست آورید.

21. روی از الکترولیز محلول سولفات روی به مدت 100 دقیقه با قدرت فعلی به دست می آید

17 A، محلول در 1 لیتر محلول اسید سولفوریک 10٪ با چگالی 1.066 گرم در میلی لیتر. غلظت سولفات روی را در محلول به دست آمده به دست آورید.

22. آهن که با الکترولیز مذاب کلرید آهن (III) به مدت 70 دقیقه با جریان 11 آمپر به دست آمد، به پودر تبدیل شد و در 300 گرم محلول 18٪ سولفات مس (II) غوطه ور شد. جرم مسی را که رسوب کرده است را بیابید.

23. منیزیم حاصل از الکترولیز مذاب کلرید منیزیم به مدت 90 دقیقه با قدرت فعلی
17 A، در محلولی از اسید کلریدریک که بیش از حد گرفته شده بود غوطه ور شد. حجم و مقدار هیدروژن آزاد شده را بیابید (n.s.).

24. محلول سولفات آلومینیوم به مدت 1 ساعت با جریان 20 آمپر تحت الکترولیز قرار گرفت. چند گرم از محلول 15 درصد اسید کلریدریک برای واکنش کامل با آلومینیوم به دست آمده مورد نیاز است؟

25. برای سوختن کامل منیزیم حاصل از الکترولیز مذاب کلرید منیزیم به مدت 35 دقیقه با جریان 22 آمپر، چند لیتر اکسیژن و هوا (n.o.) لازم است؟

برای پاسخ و راه حل، به مسائل زیر مراجعه کنید

که تحت تأثیر جریان الکتریکی روی الکترودهای غوطه ور در محلول یا الکترولیت مذاب جریان می یابد.

دو نوع الکترود وجود دارد.

آند اکسیداسیون.

کاتد- این الکترودی است که روی آن رخ می دهد بهبود. آنیون ها به آند تمایل دارند، زیرا دارای بار مثبت هستند. کاتدها به کاتد تمایل دارند زیرا بار منفی دارند و طبق قوانین فیزیک برخلاف بارها جذب می شوند. در هر فرآیند الکتروشیمیایی، هر دو الکترود وجود دارند. دستگاهی که در آن الکترولیز انجام می شود الکترولیز نامیده می شود. برنج. 1.

ویژگی های کمی الکترولیز توسط دو قانون فارادی بیان می شود:

1) جرم ماده آزاد شده در الکترود با مقدار الکتریسیته عبوری از الکترولیت نسبت مستقیم دارد.

2) در طول الکترولیز ترکیبات شیمیایی مختلف، مقدار مساوی الکتریسیته در الکترودها توسط جرم مواد متناسب با معادل های الکتروشیمیایی آنها آزاد می شود.

این دو قانون را می توان در یک معادله ترکیب کرد:

جایی که متر- جرم ماده آزاد شده، گرم؛

n- تعداد الکترون های منتقل شده در فرآیند الکترود؛

اف– شماره فارادی ( اف=96485 C/mol)

من– قدرت جریان، A؛

تی- بار؛

م– جرم مولی ماده آزاد شده، g/mol.

با الکترولیز محلول آبیفرآیندهای الکترود با رقابت بین یون ها پیچیده می شود (مولکول های آب نیز می توانند در الکترولیز شرکت کنند). کاهش در کاتد با موقعیت فلز در سری پتانسیل های الکترود استاندارد تعیین می شود.

کاتیون های فلزی که پتانسیل الکترود استاندارد آن ها بیشتر از هیدروژن است (از Cu2+ تا Au3+)، در طول الکترولیز تقریباً به طور کامل در کاتد کاهش می یابد. Me n+ + nē →Me کاتیون‌های فلزی با پتانسیل الکترود استاندارد پایین (شامل Li2+ تا Al3+) در کاتد کاهش نمی‌یابند، اما در عوض مولکول‌های آب کاهش می‌یابند. 2H2O + 2ē → H2 + 2OH- کاتیون های فلزی با پتانسیل الکترودی استاندارد کمتر از هیدروژن، اما بیشتر از آلومینیوم (از Mn2+ به H)، در طول الکترولیز در کاتد به طور همزمان با مولکول های آب کاهش می یابند. Me n+ + nē →Me 2H2O + 2ē → H2 + 2OH- اگر چندین کاتیون در محلول وجود داشته باشد، ابتدا کاتیون های فلزی که کمترین فعالیت را دارند در کاتد احیا می شوند.

به عنوان مثال سولفات سدیم (Na2SO4)

Na2SO4↔ 2Na++ SO42-

کاتد: 2H2O + 2e → H2 + 2OH-

آند: 2H2O - 4e → O2 + 4H+

4OH-- 4H+→ 4H2O

الکترولیز ذوب می شودبسیاری از فلزات واکنش پذیر به دست می آیند. هنگامی که سولفات سدیم مذاب جدا می شود، یون های سدیم و یون های سولفات تشکیل می شوند.

Na2SO4 → 2Na+ + SO42-

- سدیم در کاتد آزاد می شود:

Na+ + 1 e− → Na

- اکسیژن و اکسید گوگرد (VI) در آند آزاد می شوند:

2SO42- - 4 e- → 2SO3 +O2

- معادله یونی کل واکنش (معادله فرآیند کاتدی ضرب در 4)

4 Na+ + 2SO42− → 4 Na 0 + 2SO3 +O2

- واکنش کل:

4 Na2SO44 Na 0 + 2SO3 +O2

الکترولیز نمک های مذاب

برای به دست آوردن فلزات بسیار فعال (سدیم، آلومینیوم، منیزیم، کلسیم و غیره) که به راحتی با آب تعامل دارند، از الکترولیز نمک ها یا اکسیدهای مذاب استفاده می شود:

1. الکترولیز کلرید مس مذاب (II).

فرآیندهای الکترود را می توان با نیمه واکنش ها بیان کرد:

روی کاتد K(-): Cu 2+ + 2e = Cu 0 - کاهش کاتدی

در آند A(+): 2Cl – - 2e = Cl 2 - اکسیداسیون آندی

واکنش کلی تجزیه الکتروشیمیایی یک ماده حاصل مجموع دو نیمه واکنش الکترود است و برای کلرید مس با معادله بیان می شود:

Cu 2+ + 2 Cl – = Cu + Cl 2

در طی الکترولیز قلیاها و نمکهای اکسواسید، اکسیژن در آند آزاد می شود:

4OH – - 4e = 2H 2 O + O 2

2SO 4 2– - 4e = 2SO 3 + O 2

2. الکترولیز مذاب کلرید پتاسیم:

الکترولیز محلول ها

مجموعه ای از واکنش های ردوکس که بر روی الکترودهای محلول یا مذاب الکترولیت ها هنگام عبور جریان الکتریکی از آنها رخ می دهد، الکترولیز نامیده می شود.

در کاتد "-" منبع جریان، فرآیند انتقال الکترون ها به کاتیون ها از محلول یا مذاب اتفاق می افتد، بنابراین کاتد یک "عامل کاهنده" است.

در آند "+"، الکترون ها توسط آنیون ها دفع می شوند، بنابراین آند یک "عامل اکسید کننده" است.

در طول الکترولیز، فرآیندهای رقابتی می توانند هم در آند و هم در کاتد رخ دهند.

هنگامی که الکترولیز با استفاده از یک آند بی اثر (غیر مصرفی) (به عنوان مثال، گرافیت یا پلاتین) انجام می شود، به طور معمول، دو فرآیند اکسیداتیو و دو فرآیند احیا با هم رقابت می کنند:
در آند - اکسیداسیون آنیون ها و یون های هیدروکسید،
در کاتد - کاهش کاتیون ها و یون های هیدروژن.

هنگامی که الکترولیز با استفاده از یک آند فعال (مصرف‌پذیر) انجام می‌شود، فرآیند پیچیده‌تر می‌شود و واکنش‌های رقابتی روی الکترودها عبارتند از:
در آند - اکسیداسیون آنیونها و یونهای هیدروکسید، انحلال آندی فلز - مواد آند.
در کاتد - کاهش کاتیون نمک و یون های هیدروژن، کاهش کاتیون های فلزی به دست آمده از انحلال آند.

هنگام انتخاب محتمل ترین فرآیند در آند و کاتد، باید از موقعیتی پیش رفت که واکنشی که به کمترین مقدار انرژی نیاز دارد ادامه یابد. علاوه بر این، برای انتخاب محتمل ترین فرآیند در آند و کاتد در طول الکترولیز محلول های نمک با الکترود بی اثر، از قوانین زیر استفاده می شود:

1. محصولات زیر می توانند در آند تشکیل شوند:

الف) در طول الکترولیز محلول های حاوی آنیون های SO 4 2-، NO - 3، PO 4 3- و همچنین محلول های قلیایی، آب در آند اکسید می شود و اکسیژن آزاد می شود.

A + 2H 2 O - 4e - = 4H + + O 2

ب) در طی اکسیداسیون آنیون های Cl-، Br-، I-، کلر، برم و ید به ترتیب آزاد می شوند.

A + Cl - +e - = Cl 0

2. محصولات زیر می توانند در کاتد تشکیل شوند:

الف) در طول الکترولیز محلول های نمک حاوی یون های واقع در سری ولتاژ سمت چپ Al 3+، آب در کاتد کاهش می یابد و هیدروژن آزاد می شود.

K - 2H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH -

ب) اگر یون فلز در سری ولتاژ سمت راست هیدروژن قرار گیرد، فلز در کاتد آزاد می شود.

K - Me n+ + ne - = Me 0

ج) در طول الکترولیز محلول های نمک حاوی یون های واقع در محدوده ولتاژ بین Al + و H +، فرآیندهای رقابتی کاهش کاتیون و تکامل هیدروژن می تواند در کاتد رخ دهد.

مثال: الکترولیز محلول آبی نیترات نقره روی الکترودهای بی اثر

تفکیک نیترات نقره:

AgNO 3 = Ag + + NO 3 -

در طی الکترولیز محلول آبی AgNO 3، کاهش یون های Ag + در کاتد و اکسیداسیون مولکول های آب در آند رخ می دهد:

کاتد: Аg + + e = А g

آند: 2H 2 O - 4e = 4H + + O 2

معادله خلاصه:________________________________________________

4AgNO 3 + 2H 2 O = 4 Ag + 4HNO 3 + O 2

طرح هایی برای الکترولیز محلول های آبی تهیه کنید: الف) سولفات مس. ب) کلرید منیزیم؛ ج) سولفات پتاسیم.

در همه موارد، الکترولیز با استفاده از الکترودهای کربن انجام می شود.

مثال: الکترولیز محلول آبی کلرید مس روی الکترودهای بی اثر

تفکیک کلرید مس:

CuCl 2 ↔ Cu 2 + + 2Cl -

محلول حاوی یون های Cu 2+ و 2Cl - است که تحت تأثیر جریان الکتریکی به الکترودهای مربوطه هدایت می شوند:

کاتد - Cu 2+ + 2e = Cu 0

آند + 2Cl - - 2e = Cl 2

_______________________________

CuCl 2 = Cu + Cl 2

مس فلزی در کاتد و گاز کلر در آند آزاد می شود.

اگر در مثال در نظر گرفته شده الکترولیز محلول CuCl 2 یک صفحه مسی را به عنوان آند در نظر بگیریم، سپس مس در کاتد آزاد می شود و در آند، جایی که فرآیندهای اکسیداسیون رخ می دهد، به جای تخلیه یون های Cl 0 و آزاد کردن کلر، اکسیداسیون می شود. از آند (مس) رخ می دهد.

در این حالت خود آند حل می شود و به صورت یون Cu 2+ وارد محلول می شود.

الکترولیز CuCl 2 با یک آند محلول را می توان به صورت زیر نوشت:

الکترولیز محلول های نمک با یک آند محلول به اکسیداسیون ماده آند (انحلال آن) کاهش می یابد و با انتقال فلز از آند به کاتد همراه است. این خاصیت به طور گسترده در پالایش (پاکسازی) فلزات از آلاینده ها استفاده می شود.

مثال: الکترولیز محلول آبی کلرید منیزیم بر روی الکترودهای بی اثر

تفکیک کلرید منیزیم در محلول آبی:

MgCl 2 ↔ Mg 2 + + 2Сl -

یون های منیزیم را نمی توان در یک محلول آبی احیا کرد (آب در حال کاهش است)، یون های کلرید اکسید می شوند.

طرح الکترولیز:

مثال: الکترولیز محلول آبی سولفات مس روی الکترودهای بی اثر

در محلول، سولفات مس به یون ها تجزیه می شود:

CuSO 4 = Cu 2 + + SO 4 2-

یون های مس را می توان در کاتد در یک محلول آبی احیا کرد.

یون های سولفات در یک محلول آبی اکسید نمی شوند، بنابراین اکسیداسیون آب در آند رخ می دهد.

طرح الکترولیز:

الکترولیز محلول آبی نمک یک فلز فعال و اسید حاوی اکسیژن (K 2 SO 4 ) بر روی الکترودهای بی اثر

مثال: تفکیک سولفات پتاسیم در محلول آبی:

K 2 SO 4 = 2K + + SO 4 2-

یون‌های پتاسیم و یون‌های سولفات را نمی‌توان در الکترودها در محلول آبی تخلیه کرد، بنابراین کاهش در کاتد و اکسیداسیون آب در آند رخ می‌دهد.

طرح الکترولیز:

یا با توجه به اینکه 4H + + 4OH - = 4H 2 O (با هم زدن انجام می شود)

H2O2H2+O2

اگر جریان الکتریکی از محلول آبی نمک یک فلز فعال و یک اسید حاوی اکسیژن عبور داده شود، نه کاتیون های فلزی و نه یون های باقی مانده اسید تخلیه نمی شوند.

هیدروژن در کاتد آزاد می شود و اکسیژن در آند آزاد می شود و الکترولیز به تجزیه الکترولیتی آب کاهش می یابد.

مذاب الکترولیز هیدروکسید سدیم

الکترولیز آب همیشه در حضور یک الکترولیت بی اثر (برای افزایش هدایت الکتریکی یک الکترولیت بسیار ضعیف - آب) انجام می شود:

قانون فارادی

وابستگی مقدار ماده تشکیل شده تحت تأثیر جریان الکتریکی به زمان، قدرت جریان و ماهیت الکترولیت را می توان بر اساس قانون تعمیم یافته فارادی تعیین کرد:

که در آن m جرم ماده تشکیل شده در طول الکترولیز (g) است.

E جرم معادل ماده (g/mol) است.

M جرم مولی ماده (g/mol) است.

n تعداد الکترون های داده شده یا دریافت شده است.

I - قدرت جریان (A)؛ t - مدت زمان فرآیند (ها)؛

F ثابت فارادی است که مقدار الکتریسیته مورد نیاز برای آزادسازی 1 جرم معادل یک ماده را مشخص می کند (F = 96500 C/mol = 26.8 Ah/mol).

هیدرولیز ترکیبات معدنی

برهمکنش یون های نمک با آب که منجر به تشکیل مولکول های الکترولیت ضعیف می شود، هیدرولیز نمک نامیده می شود.

اگر نمک را محصول خنثی سازی یک باز با اسید در نظر بگیریم، می توانیم نمک ها را به چهار گروه تقسیم کنیم که هیدرولیز هر کدام به روش خاص خود انجام می شود.

1. نمک تشکیل شده توسط یک باز قوی و یک اسید قوی KBr، NaCl، NaNO 3) تحت هیدرولیز قرار نمی گیرد، زیرا در این مورد یک الکترولیت ضعیف تشکیل نمی شود. واکنش محیط خنثی می ماند.

2. در نمکی که توسط یک باز ضعیف و اسید قوی FeCl 2، NH 4 Cl، Al 2 (SO 4) 3، MgSO 4 تشکیل شده است، کاتیون تحت هیدرولیز قرار می گیرد:

FeCl 2 + HOH → Fe(OH)Cl + HCl

Fe 2+ + 2Cl - + H + + OH - → FeOH + + 2Cl - + H +

در نتیجه هیدرولیز، یک الکترولیت ضعیف، یون H + و یون های دیگر تشکیل می شود. pH محلول< 7 (раствор приобретает кислую реакцию).

3. نمکی که توسط یک باز قوی و یک اسید ضعیف (KClO, K 2 SiO 3, Na 2 CO 3, CH 3 COONa ) تشکیل شده است در آنیون هیدرولیز می شود و در نتیجه الکترولیت ضعیف، یون هیدروکسید و یون های دیگر تشکیل می شود. .

K 2 SiO 3 + HOH → KHSiO 3 + KOH

2K + + SiO 3 2- + H + + OH - → HSiO 3 - + 2K + + OH -

pH چنین محلول هایی > 7 است (محلول قلیایی می شود).

4. نمکی که توسط یک باز ضعیف و یک اسید ضعیف (CH 3 COONH 4, (NH 4) 2 CO 3, Al 2 S 3 ) تشکیل شده است توسط کاتیون و آنیون هیدرولیز می شود. در نتیجه، یک باز و اسید کمی تفکیک کننده تشکیل می شود. pH محلول چنین نمک هایی به قدرت نسبی اسید و باز بستگی دارد.

الگوریتم نوشتن معادلات واکنش برای هیدرولیز نمک اسید ضعیف و باز قوی

چندین گزینه برای هیدرولیز نمک ها وجود دارد:

1. هیدرولیز نمک یک اسید ضعیف و یک باز قوی: (CH 3 COONa، KCN، Na 2 CO 3).

مثال 1. هیدرولیز استات سدیم.

یا CH 3 COO - + Na + + H 2 O ↔ CH 3 COOH + Na + + OH -

CH 3 COO - + H 2 O ↔ CH 3 COOH + OH -

از آنجایی که اسید استیک ضعیف تجزیه می شود، یون استات به یون H + متصل می شود و تعادل تفکیک آب طبق اصل Le Chatelier به سمت راست تغییر می کند.

OH - یونها در محلول جمع می شوند (PH> 7)

اگر نمک توسط یک اسید پلی بازیک تشکیل شود، هیدرولیز در مراحل انجام می شود.

به عنوان مثال، هیدرولیز کربنات: Na 2 CO 3

مرحله I: CO 3 2- + H 2 O ↔ HCO 3 - + OH -

مرحله دوم: HCO 3 - + H 2 O ↔ H 2 CO 3 + OH -

Na 2 CO 3 + H 2 O = NaHCO 3 + NaOH

معمولاً فقط فرآیندی که در مرحله اول رخ می دهد از اهمیت عملی برخوردار است که معمولاً به هنگام ارزیابی هیدرولیز نمک ها محدود می شود.

تعادل هیدرولیز در مرحله دوم به طور قابل توجهی در مقایسه با تعادل مرحله اول به سمت چپ تغییر می کند، زیرا الکترولیت ضعیف تری (HCO 3 -) در مرحله اول نسبت به مرحله دوم (H2CO3) تشکیل می شود.

مثال 2. هیدرولیز روبیدیوم ارتوفسفات.

1. تعیین نوع هیدرولیز:

Rb 3 PO 4 ↔ 3Rb + + P.O. 4 3–

روبیدیم یک فلز قلیایی است، هیدروکسید آن یک باز قوی است، اسید فسفریک، به ویژه در مرحله سوم تجزیه آن که مربوط به تشکیل فسفات است، یک اسید ضعیف است.

هیدرولیز در آنیون اتفاق می افتد.

PO 3- 4 + H–OH ↔ HPO 2- 4 + OH – .

محصولات یون هیدروفسفات و هیدروکسید هستند، محیط قلیایی است.

3- معادله مولکولی را بسازید:

Rb 3 PO 4 + H 2 O ↔ Rb 2 HPO 4 + RbOH.

ما یک نمک اسیدی - روبیدیم هیدروژن فسفات به دست آوردیم.

الگوریتم نوشتن معادلات واکنش برای هیدرولیز نمک اسید قوی و باز ضعیف

2. هیدرولیز نمک یک اسید قوی و یک باز ضعیف: NH 4 NO 3، AlCl 3، Fe 2 (SO 4) 3.

مثال 1. هیدرولیز نیترات آمونیوم.

NH 4 + + NO 3 – + H 2 O ↔ NH 4 OH + NO 3 – + H +

NH 4 + + H 2 O ↔ NH 4 OH + H +

در مورد یک کاتیون با بار چند برابر، هیدرولیز به صورت مرحله ای انجام می شود، به عنوان مثال:

مرحله I: Cu 2+ + HOH ↔ CuOH + + H +

مرحله دوم: CuOH + + HOH ↔ Cu(OH) 2 + H +

CuCl 2 + H 2 O = CuOHCl + HCl

در این حالت غلظت یون های هیدروژن و pH محیط در محلول نیز عمدتاً توسط مرحله اول هیدرولیز تعیین می شود.

مثال 2. هیدرولیز سولفات مس (II).

1. نوع هیدرولیز را تعیین کنید. در این مرحله لازم است معادله تفکیک نمک را بنویسیم:

CuSO 4 ↔ مس 2+ + SO 2- 4.

نمک از یک کاتیون یک باز ضعیف (ما تأکید می کنیم) و یک آنیون یک اسید قوی تشکیل می شود. هیدرولیز کاتیون رخ می دهد.

2. معادله یونی هیدرولیز را می نویسیم و محیط را تعیین می کنیم:

Cu 2+ + H-OH ↔ CuOH + + H + .

یک کاتیون هیدروکسی مس (II) و یک یون هیدروژن تشکیل می شود، محیط اسیدی است.

3. یک معادله مولکولی بسازید.

باید در نظر داشت که تدوین چنین معادله ای یک کار رسمی مشخص است. از ذرات مثبت و منفی موجود در محلول، ذرات خنثی را می سازیم که فقط روی کاغذ وجود دارند. در این حالت می‌توانیم فرمول (CuOH) 2 SO 4 را ایجاد کنیم، اما برای این کار باید معادله یونی خود را به طور ذهنی در دو ضرب کنیم.

ما گرفتیم:

2CuSO 4 + 2H 2 O ↔ (CuOH) 2 SO 4 + H 2 SO 4.

لطفا توجه داشته باشید که محصول واکنش متعلق به گروه نمک های اساسی است. نام نمک های اصلی و همچنین نام نمک های میانی باید از نام آنیون و کاتیون تشکیل شده باشد که در این صورت نمک را «هیدروکسی مس (II) سولفات» می نامیم.

الگوریتم نوشتن معادلات واکنش برای هیدرولیز نمک اسید ضعیف و باز ضعیف

3. هیدرولیز نمک یک اسید ضعیف و یک باز ضعیف:

مثال 1. هیدرولیز استات آمونیوم.

CH 3 COO - + NH 4 + + H 2 O ↔ CH 3 COOH + NH 4 OH

در این حالت دو ترکیب کمی تفکیک شده تشکیل می شود و pH محلول به قدرت نسبی اسید و باز بستگی دارد.

اگر محصولات هیدرولیز را بتوان از محلول خارج کرد، به عنوان مثال، به شکل یک رسوب یا ماده گازی، آنگاه هیدرولیز به پایان می رسد.

مثال 2. هیدرولیز سولفید آلومینیوم.

Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 S

2А l 3+ + 3 S 2- + 6Н 2 О = 2Аl(ОН) 3 (رسوب) + ЗН 2 S (گاز)

مثال 3 هیدرولیز استات آلومینیوم

1. تعیین نوع هیدرولیز:

Al(CH 3 COO) 3 = ال 3+ + 3CH 3 COO – .

نمک از کاتیون یک باز ضعیف و آنیون یک اسید ضعیف تشکیل می شود.

2. معادلات هیدرولیز یونی را می نویسیم و محیط را تعیین می کنیم:

Al 3+ + H–OH ↔ AlOH 2+ + H +،

CH 3 COO – + H–OH ↔ CH 3 COOH + OH – .

با توجه به اینکه هیدروکسید آلومینیوم یک باز بسیار ضعیف است، فرض می کنیم که هیدرولیز در کاتیون به میزان بیشتری نسبت به آنیون اتفاق می افتد. در نتیجه، مقدار زیادی یون هیدروژن در محلول وجود خواهد داشت و محیط اسیدی خواهد بود.

تلاش برای ایجاد یک معادله خلاصه برای واکنش در اینجا فایده ای ندارد. هر دو واکنش برگشت پذیر هستند، هیچ ارتباطی با یکدیگر ندارند و چنین جمع بندی بی معنی است.

3. بیایید یک معادله مولکولی بسازیم:

Al(CH 3 COO) 3 + H 2 O = AlOH (CH 3 COO) 2 + CH 3 COOH.

این همچنین یک تمرین رسمی برای آموزش تهیه فرمول نمک ها و نامگذاری آنها است. بیایید نمک حاصل را هیدروکسوآلومینیوم استات بنامیم.

الگوریتم نوشتن معادلات واکنش برای هیدرولیز نمک یک اسید قوی و یک باز قوی

4. نمک های تشکیل شده توسط یک اسید قوی و یک باز قوی تحت هیدرولیز قرار نمی گیرند، زیرا تنها ترکیب ضعیف تفکیک کننده H2O است.

نمک یک اسید قوی و یک باز قوی تحت هیدرولیز قرار نمی گیرد و محلول خنثی است.