Modul 2. Osnovni kemijski procesi i svojstva tvari

Laboratorijski rad br.7

Tema: Elektroliza vodenih otopina soli

Elektroliza zove se redoks proces koji se događa na elektrodama tijekom prolaska, električna struja kroz otopinu ili rastaljeni elektrolit.

Kada istosmjerna električna struja prolazi kroz otopinu ili talinu elektrolita, kationi se kreću prema katodi, a anioni prema anodi. Na elektrodama se javljaju redoks procesi; Katoda je redukcijsko sredstvo, jer predaje elektrone kationima, a anoda je oksidacijsko sredstvo, jer prima elektrone od aniona. Reakcije koje se odvijaju na elektrodama ovise o sastavu elektrolita, prirodi otapala, materijalu elektroda i načinu rada elektrolizera.

Kemija procesa elektrolize rastaljenog kalcijevog klorida:

CaCl 2 ↔ Ca 2+ + 2Cl -

na katodi Ca 2+ + 2e→ Ca°

na anodi 2Sl - - 2e→ 2S1° → S1 2

Elektroliza otopine kalijevog sulfata na netopivoj anodi shematski izgleda ovako:

K 2 SO 4 ↔ 2K + + SO 4 2 -

H 2 O ↔ H + + OH -

na katodi 2N + + 2e→2N°→ N 2 2

na anodi 4OH - 4e → O 2 + 4H + 1

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

Cilj rada: upoznavanje s elektrolizom otopina soli.

Instrumenti i oprema: ispravljač električne struje, elektrolizer, ugljene elektrode, brusni papir, čaše, perilica rublja.

Riža. 1. Uređaj za provođenje

elektroliza

1 - elektrolizator;

2 - elektrode;

3-vodljive žice; izvor istosmjerna struja.

Reagensi i otopine: 5% otopine bakrenog klorida CuC1 2, kalijevog jodida KI , kalijev hidrogensulfat KHSO 4, natrijev sulfat Na 2 SO 4, bakrov sulfat CuSO 4, cink sulfat ZnSO 4, 20% otopina natrijevog hidroksida NaOH, ploče od bakra i nikla, otopina fenolftaleina, dušična kiselina (konc.) HNO 3, 1% škrob otopina, neutralni lakmus papir, 10% otopina sumporne kiseline H2SO4.

Pokus 1. Elektroliza bakrenog klorida s netopivim elektrodama

Napunite elektrolizator do polovice volumena 5% otopinom bakrenog klorida. Spustite grafitnu šipku u oba koljena elektrolizera, labavo ih pričvrstite komadima gumene cijevi. Spojite krajeve elektroda vodičima na izvore istosmjerne struje. Ako osjetite blagi miris klora, odmah isključite elektrolizer iz izvora napajanja. Što se događa na katodi? Napiši jednadžbe elektrodnih reakcija.

Pokus 2. Elektroliza kalijeva jodida s netopljivim elektrodama

Napunite elektrolizator 5% otopinom kalijevog jodida. na svako koljeno dodajte 2 kapi fenolftaleina. Zalijepiti V svako koljeno elektrolizera grafitne elektrode i spojite ih na istosmjerni izvor.

U kojem se laktu i zašto otopina obojila? Dodajte 1 kap škrobne paste na svako koljeno. Gdje i zašto se oslobađa jod? Napiši jednadžbe elektrodnih reakcija. Što je nastalo u katodnom prostoru?

Pokus 3. Elektroliza natrijevog sulfata s netopljivim elektrodama

Napunite pola volumena elektrolizatora 5% otopinom natrijevog sulfata i dodajte 2 kapi metiloranža ili lakmusa u svako koljeno. Umetnite elektrode u oba lakta i spojite ih na istosmjerni izvor. Zabilježite svoja zapažanja. Zašto su otopine elektrolita promijenile boju na različitim elektrodama? Napiši jednadžbe elektrodnih reakcija. Koji plinovi se oslobađaju na elektrodama i zašto? Što je bit procesa elektrolize vodene otopine natrijevog sulfata

ELEKTROLIZA

Jedna od metoda dobivanja metala je elektroliza. Aktivni metali u prirodi se nalaze samo u obliku kemijskih spojeva. Kako izolirati te spojeve u slobodnom stanju?

Otopine i taline elektrolita provode električnu struju. Međutim, kada struja prolazi kroz otopinu elektrolita, može doći do kemijskih reakcija. Razmotrimo što će se dogoditi ako se u otopinu ili taljevinu elektrolita stave dvije metalne ploče od kojih je svaka spojena na jedan od polova izvora struje. Ove ploče se nazivaju elektrode. Električna struja je pokretni tok elektrona. Kako se elektroni u krugu pomiču s jedne elektrode na drugu, na jednoj od elektroda pojavljuje se višak elektrona. Elektroni imaju negativan naboj, pa je ova elektroda negativno nabijena. Zove se katoda. Na drugoj elektrodi stvara se manjak elektrona i ona postaje pozitivno nabijena. Ova elektroda se naziva anoda. Elektrolit u otopini ili talini disocira na pozitivno nabijene ione - katione i negativno nabijene ione - anione. Kationi se privlače na negativno nabijenu elektrodu – katodu. Anione privlači pozitivno nabijena elektroda – anoda. Na površini elektroda može doći do interakcija između iona i elektrona.

Elektroliza se odnosi na procese koji se odvijaju kada električna struja prolazi kroz otopine ili taline elektrolita.

Procesi koji se odvijaju tijekom elektrolize otopina i talina elektrolita prilično su različiti. Razmotrimo oba ova slučaja detaljno.

Elektroliza talina

Kao primjer, razmotrite elektrolizu taline natrijevog klorida. U talini natrijev klorid disocira na ione Na+
i Cl - : NaCl = Na + + Cl -

Kationi natrija kreću se prema površini negativno nabijene elektrode – katode. Na površini katode postoji višak elektrona. Zbog toga se elektroni prenose s površine elektrode na natrijeve ione. U ovom slučaju ioni Na+ pretvaraju u atome natrija, odnosno dolazi do redukcije kationa Na+ . Jednadžba procesa:

Na + + e - = Na

Kloridni ioni Cl - premjestiti na površinu pozitivno nabijene elektrode – anode. Na površini anode stvara se nedostatak elektrona i elektroni se prenose s aniona Cl- na površinu elektrode. Istodobno, negativno nabijeni ioni Cl- pretvaraju se u atome klora, koji se odmah spajaju u molekule klora C l 2 :

2S l - -2e - = Cl 2

Kloridni ioni gube elektrone, odnosno oksidiraju.

Napišimo zajedno jednadžbe procesa koji se odvijaju na katodi i anodi

Na + + e - = Na

2 C l - -2 e - = Cl 2

Jedan elektron sudjeluje u redukciji natrijevih kationa, a 2 elektrona sudjeluju u oksidaciji iona klora. Međutim, mora se poštivati ​​zakon održanja električnog naboja, odnosno ukupni naboj svih čestica u otopini mora biti konstantan, stoga broj elektrona koji sudjeluju u redukciji natrijevih kationa mora biti jednak broju elektrona koji sudjeluju u oksidaciji kloridnih iona. Stoga prvu jednadžbu množimo s 2:

Na + + e - = Na 2

2S l - -2e - = Cl 2 1

Zbrojimo obje jednadžbe i dobijemo opću jednadžbu reakcije.

2 Na + + 2S l - = 2 Na + Cl 2 (jednadžba ionske reakcije), odn

2 NaCl = 2 Na + Cl 2 (jednadžba molekularne reakcije)

Dakle, u razmatranom primjeru vidimo da je elektroliza redoks reakcija. Na katodi dolazi do redukcije pozitivno nabijenih iona – kationa, a na anodi do oksidacije negativno nabijenih iona – aniona. Možete zapamtiti koji se proces gdje događa pomoću "pravila T":

katoda – kation – redukcija.

Primjer 2.Elektroliza rastaljenog natrijevog hidroksida.

Natrijev hidroksid u otopini disocira na katione i hidroksidne ione.

katoda (-)<-- Na + + OH - à Анод (+)

Na površini katode natrijevi kationi se reduciraju i nastaju natrijevi atomi:

katoda (-) Na + +e à Na

Na površini anode dolazi do oksidacije hidroksidnih iona, oslobađanja kisika i stvaranja molekula vode:

katoda (-) Na + + e à Na

anoda (+)4 OH - – 4 e à 2 H 2 O + O 2

Broj elektrona uključenih u reakciju redukcije natrijevih kationa i u reakciju oksidacije hidroksidnih iona mora biti isti. Stoga, pomnožimo prvu jednadžbu s 4:

katoda (-) Na + + e à Na 4

anoda (+)4 OH - – 4 e à 2 H 2 O + O 2 1

Zbrojimo obje jednadžbe i dobijemo jednadžbu reakcije elektrolize:

4 NaOH do 4 Na + 2 H 2 O + O 2

Primjer 3.Razmotrimo elektrolizu taline Al2O3

Tom se reakcijom iz boksita, prirodnog spoja koji sadrži mnogo aluminijevog oksida, dobiva aluminij. Talište aluminijevog oksida je vrlo visoko (više od 2000º C), pa mu se dodaju posebni dodaci koji snižavaju talište na 800-900º C. U talini aluminijev oksid disocira na ione Al 3+ i O 2-. H a kationi se reduciraju na katodi Al 3+ , pretvarajući se u atome aluminija:

Al +3 e à Al

Anioni se oksidiraju na anodi O2- , pretvarajući se u atome kisika. Atomi kisika odmah se spajaju u molekule O2:

2 O 2- – 4 e à O 2

Broj elektrona uključenih u procese redukcije aluminijevih kationa i oksidacije iona kisika mora biti jednak, pa pomnožimo prvu jednadžbu s 4, a drugu s 3:

Al 3+ +3 i Al 0 4

2 O 2- – 4 e à O 2 3

Zbrojimo obje jednadžbe i dobijemo

4 Al 3+ + 6 O 2- à 4 Al 0 +3 O 2 0 (jednadžba ionske reakcije)

2 Al 2 O 3 do 4 Al + 3 O 2

Elektroliza otopina

U slučaju prolaska električne struje kroz vodenu otopinu elektrolita, stvar je komplicirana činjenicom da otopina sadrži molekule vode, koje također mogu komunicirati s elektronima. Podsjetimo se da su u molekuli vode atomi vodika i kisika povezani polarnom kovalentnom vezom. Elektronegativnost kisika veća je od elektronegativnosti vodika, pa su zajednički elektronski parovi usmjereni prema atomu kisika. Djelomični negativni naboj nastaje na atomu kisika, označen δ-, a djelomični pozitivni naboj nastaje na atomima vodika, označen kao δ+.

δ+

N-O δ-

│

H δ+

Zbog tog pomaka naboja, molekula vode ima pozitivne i negativne "polove". Dakle, molekule vode mogu biti privučene pozitivno nabijenim polom na negativno nabijenu elektrodu - katodu, a negativnim polom - na pozitivno nabijenu elektrodu - anodu. Na katodi može doći do redukcije molekula vode, pri čemu se oslobađa vodik:

Na anodi može doći do oksidacije molekula vode, oslobađajući kisik:

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

Stoga se na katodi mogu reducirati kationi elektrolita ili molekule vode. Čini se da se ova dva procesa natječu jedan s drugim. Koji se proces zapravo događa na katodi ovisi o prirodi metala. Hoće li se metalni kationi ili molekule vode reducirati na katodi ovisi o položaju metala u raspon metalnih naprezanja .

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

Ako je metal u nizu napona desno od vodika, metalni kationi se reduciraju na katodi i slobodni metal se oslobađa. Ako je metal u nizu napona lijevo od aluminija, molekule vode se reduciraju na katodi i oslobađa se vodik. Konačno, u slučaju metalnih kationa od cinka do olova, može doći ili do razvoja metala ili do razvijanja vodika, a ponekad i do razvoja vodika i metala može doći istovremeno. Općenito, ovo je prilično kompliciran slučaj, puno ovisi o uvjetima reakcije: koncentraciji otopine, električnoj struji i drugima.

Na anodi se također može dogoditi jedan od dva procesa - ili oksidacija aniona elektrolita ili oksidacija molekula vode. Koji će se proces zapravo dogoditi ovisi o prirodi aniona. Tijekom elektrolize soli kiselina bez kisika ili samih kiselina dolazi do oksidacije aniona na anodi. Jedina iznimka je fluoridni ion F- . U slučaju kiselina koje sadrže kisik, molekule vode se oksidiraju na anodi i oslobađa se kisik.

Primjer 1.Pogledajmo elektrolizu vodene otopine natrijeva klorida.

Vodena otopina natrijeva klorida sadržavat će natrijeve katione Na +, anioni klora Cl - i molekule vode.

2 NaCl à 2 Na + + 2 Cl -

2H 2 O à 2 H + + 2 OH -

katoda (-) 2 Na + ; 2H+; 2N + + 2e à N 0 2

anoda (+) 2 Cl - ; 2 OH -; 2 Cl - – 2e à 2 Cl 0

2NaCl + 2H2O a H2 + Cl2 + 2NaOH

Kemijski aktivnost anioni su malo vjerojatni smanjuje se.

Primjer 2.A ako sol sadrži SO 4 2- ? Razmotrimo elektrolizu otopine nikal sulfata ( II ). Nikal sulfat ( II ) disocira na ione Ni 2+ i SO 4 2-:

NiSO 4 à Ni 2+ + SO 4 2-

H 2 O à H + + OH -

Kationi nikla nalaze se između metalnih iona Al 3+ i Pb 2+ , zauzimajući srednji položaj u nizu napona, proces redukcije na katodi odvija se prema obje sheme:

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

Anioni kiselina koje sadrže kisik ne oksidiraju se na anodi ( serija aktivnosti aniona ), dolazi do oksidacije molekula vode:

anoda e à O 2 + 4H +

Napišimo zajedno jednadžbe procesa koji se odvijaju na katodi i anodi:

katoda (-) Ni 2+ ; H+; Ni 2+ + 2e à Ni 0

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

anoda (+) SO4 2-; OH -; 2H 2 O – 4 e a O 2 + 4H +

4 elektrona sudjeluju u redukcijskim procesima, a 4 elektrona također sudjeluju u oksidacijskim procesima. Zbrojimo ove jednadžbe i dobijemo opću jednadžbu reakcije:

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

Na desnoj strani jednadžbe nalaze se H + i OH- , koji se spajaju u molekule vode:

H + + OH - à H2O

Dakle, na desnoj strani jednadžbe, umjesto 4 H + iona i 2 iona OH- Napišimo 2 molekule vode i 2 H + iona:

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

Skratimo dvije molekule vode na obje strane jednadžbe:

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

Ovo je kratka ionska jednadžba. Da biste dobili potpunu ionsku jednadžbu, trebate dodati sulfatni ion na obje strane SO 4 2- , koji nastaje tijekom disocijacije nikal sulfata ( II ) i ne sudjeluje u reakciji:

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

Dakle, tijekom elektrolize otopine nikal sulfata ( II ) na katodi se oslobađaju vodik i nikal, a na anodi kisik.

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

Primjer 3. Napišite jednadžbe procesa koji se odvijaju tijekom elektrolize vodene otopine natrijevog sulfata s inertnom anodom.

Standardni potencijal sustava elektroda Na + + e = Na 0 je znatno negativniji od potencijala vodene elektrode u neutralnom vodenom mediju (-0,41 V). Stoga će se na katodi dogoditi elektrokemijska redukcija vode, praćena oslobađanjem vodika

2H 2 O à 2 H + + 2 OH -

i iona Na + dolazi do katode akumulirati će se u dijelu otopine uz nju (katodni prostor).

Na anodi će se dogoditi elektrokemijska oksidacija vode, što će dovesti do oslobađanja kisika

2 H 2 O – 4e à O 2 + 4 H +

budući da odgovara ovom sustavu standardni potencijal elektrode (1,23 V) značajno je niži od standardnog potencijala elektrode (2,01 V) koji karakterizira sustav

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

SO 4 2- ioni krećući se prema anodi tijekom elektrolize nakupit će se u anodnom prostoru.

Množenjem jednadžbe katodnog procesa s dva i zbrajanjem s jednadžbom anodnog procesa dobivamo ukupnu jednadžbu procesa elektrolize:

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

Uzimajući u obzir da dolazi do istodobnog nakupljanja iona u katodnom prostoru i iona u anodnom prostoru, ukupna jednadžba procesa može se napisati u sljedećem obliku:

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

Dakle, istodobno s oslobađanjem vodika i kisika nastaju natrijev hidroksid (u katodnom prostoru) i sumporna kiselina (u anodnom prostoru).

Primjer 4.Elektroliza otopine bakrenog sulfata ( II) CuSO 4 .

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

katoda (-) Cu 2+ + 2e à Cu 0 2

anoda (+) 2H 2 O – 4 e à O 2 + 4H + 1

H+ ioni ostaju u otopini SO 4 2- , jer se nakuplja sumporna kiselina.

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

Primjer 5. Elektroliza otopine bakrenog klorida ( II) CuCl 2.

katoda (-)<-- Cu 2+ + 2Cl - à анод (+)

katoda (-) Cu 2+ + 2e à Cu 0

anoda (+) 2Cl - – 2e à Cl 0 2

Obje jednadžbe uključuju dva elektrona.

Cu 2+ + 2e à Cu 0 1

2Cl - --– 2e à Cl 2 1

Cu 2+ + 2 Cl - à Cu 0 + Cl 2 (ionska jednadžba)

CuCl 2 à Cu + Cl 2 (molekularna jednadžba)

Primjer 6. Elektroliza otopine srebrnog nitrata AgNO3.

katoda (-)<-- Ag + + NO 3 - à Анод (+)

katoda (-) Ag + + e à Ag 0

anoda (+) 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 do 4 Ag 0 + 4 H + + O 2 (ionska jednadžba)

4 Ag + + 2 H 2 Oà 4 Ag 0 + 4 H + + O 2 + 4 NE 3 - (puna ionska jednadžba)

4 AgNO 3 + 2 H 2 Oà 4 Ag 0 + 4 HNO 3 + O 2 (molekularna jednadžba)

Primjer 7. Elektroliza otopine klorovodične kiselineHCl.

katoda (-)<-- H + + Cl - à anoda (+)

katoda (-) 2H + + 2 eà H 2

anoda (+) 2Cl - – 2 eà Cl 2

2 H + + 2 Cl - à H 2 + Cl 2 (ionska jednadžba)

2 HClà H 2 + Cl 2 (molekularna jednadžba)

Primjer 8. Elektroliza otopine sumporne kiselineH 2 TAKO 4 .

Katoda (-) <-- 2H + + SO 4 2- à anoda (+)

katoda (-)2H+ + 2eà H 2

anoda(+) 2H 2 O – 4eà O2 + 4H+

2H+ + 2eà H 2 2

2H 2 O – 4eà O2 + 4H+1

4H+ + 2H20à 2H2 + 4H+ +O2

2H2Oà 2H2 + O2

Primjer 9. Elektroliza otopine kalijevog hidroksidaKOH.

katoda (-)<-- K + + OH - à anoda (+)

Kationi kalija neće se reducirati na katodi, budući da je kalij u nizu napona metala lijevo od aluminija; umjesto toga, doći će do redukcije molekula vode:

2H20 + 2eà H2 +2OH - 4OH - -4eà 2H20 +02

katoda(-) 2H20 + 2eà H2 +2OH - 2

anoda(+) 4OH - - 4eà 2H 2 O + O 2 1

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

2 H 2 Oà 2 H 2 + O 2

Primjer 10. Elektroliza otopine kalijevog nitrataKNO 3 .

Katoda (-) <-- K + + NO 3 - à anoda (+)

2H20 + 2eà H 2 +2OH - 2H 2 O – 4eà O2+4H+

katoda(-) 2H20 + 2eà H2+2OH-2

anoda(+) 2H 2 O – 4eà O2 + 4H+1

4H20 + 2H20à 2H 2 + 4OH - + 4H ++ O2

2H2Oà 2H2 + O2

Propuštanjem električne struje kroz otopine kiselina koje sadržavaju kisik, lužina i soli kiselina koje sadržavaju kisik s metalima koji se nalaze u naponskom nizu metala lijevo od aluminija, praktički dolazi do elektrolize vode. U tom slučaju na katodi se oslobađa vodik, a na anodi kisik.

Zaključci. Pri određivanju produkata elektrolize vodenih otopina elektrolita, u najjednostavnijim slučajevima može se voditi sljedećim razmatranjima:

1.Metalni ioni s malom algebarskom vrijednošću standardnog potencijala - odLi + prijeAl 3+ uključivo - imaju vrlo slabu tendenciju ponovnog dodavanja elektrona, inferiorni su u tom pogledu ionimaH + (cm. Niz aktivnosti kationa). Tijekom elektrolize vodenih otopina spojeva koji sadrže ove katione, ioni obavljaju funkciju oksidacijskog sredstva na katodiH + , obnavljanje prema shemi:

2 H 2 O+ 2 eà H 2 + 2OH -

2. Metalni kationi s pozitivnim vrijednostima standardnih potencijala (Cu 2+ , Ag + , Hg 2+ itd.) imaju veću tendenciju dodavanja elektrona u usporedbi s ionima. Tijekom elektrolize vodenih otopina njihovih soli, funkciju oksidacijskog sredstva na katodi oslobađaju ovi kationi, dok se reduciraju u metal prema shemi, na primjer:

Cu 2+ +2 eà Cu 0

3. Tijekom elektrolize vodenih otopina metalnih soliZn, Fe, CD, Niitd., zauzimajući srednji položaj u nizu napona između navedenih skupina, proces redukcije na katodi odvija se prema obje sheme. Masa oslobođenog metala u tim slučajevima ne odgovara količini električne struje koja teče, a dio se troši na stvaranje vodika.

4. U vodenim otopinama elektrolita, monoatomski anioni (Cl - , Br - , J - ), anioni koji sadrže kisik (NE 3 - , TAKO 4 2- , P.O. 4 3- i drugi), kao i hidroksilni ioni vode. Od njih, halogenidni ioni imaju jača redukcijska svojstva, s izuzetkomF. IoniOHzauzimaju srednji položaj između njih i poliatomskih aniona. Stoga se tijekom elektrolize vodenih otopinaHCl, HBr, H.J.ili njihovih soli na anodi, oksidacija halogenidnih iona odvija se prema sljedećoj shemi:

2 x - -2 eà x 2 0

Tijekom elektrolize vodenih otopina sulfata, nitrata, fosfata itd. Funkciju redukcijskog sredstva obavljaju ioni koji oksidiraju prema sljedećoj shemi:

4 HOH – 4 eà 2 H 2 O + O 2 + 4 H +

.

Zadaci.

Z A vikendica 1. Prilikom elektrolize otopine bakrenog sulfata na katodi se oslobodilo 48 g bakra. Odredite volumen plina koji se oslobađa na anodi i masu sumporne kiseline koja nastaje u otopini.

Bakar sulfat u otopini ne disocira ioneC 2+ iS0 4 2 ".

CuS0 4 = Cu 2+ + S0 4 2 "

Napišimo jednadžbe procesa koji se odvijaju na katodi i anodi. Cu kationi se reduciraju na katodi, a na anodi dolazi do elektrolize vode:

Cu 2+ +2e- = Cu12

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

Opća jednadžba za elektrolizu je:

2Cu2+ + 2H2O = 2Cu + 4H+ + O2 (kratka ionska jednadžba)

Dodajmo 2 sulfatna iona na obje strane jednadžbe, koji nastaju tijekom disocijacije bakrenog sulfata, i dobivamo potpunu ionsku jednadžbu:

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

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

Plin koji se oslobađa na anodi je kisik. U otopini nastaje sumporna kiselina.

Molarna masa bakra je 64 g/mol, izračunajmo količinu bakrene tvari:

Prema jednadžbi reakcije, kada se na katodi oslobode 2 mola bakra, na anodi se oslobodi 1 mol kisika. Na katodi se oslobodi 0,75 mola bakra, na anodi neka se oslobodi x mola kisika. Napravimo proporciju:

2/1=0,75/x, x=0,75*1/2=0,375 mol

Na anodi je oslobođeno 0,375 mol kisika,

v(O2) = 0,375 mol.

Izračunajmo volumen oslobođenog kisika:

V(O2) = v(O2) «VM = 0,375 mol «22,4 l/mol = 8,4 l

Prema reakcijskoj jednadžbi, kada se na katodi oslobode 2 mola bakra, u otopini nastaju 2 mola sumporne kiseline, što znači da ako se na katodi oslobodi 0,75 mola bakra, tada nastaje 0,75 mola sumporne kiseline u otopini, v(H2SO4) = 0,75 mola. Izračunajmo molarnu masu sumporne kiseline:

M(H2SO4) = 2-1+32+16-4 = 98 g/mol.

Izračunajmo masu sumporne kiseline:

m(H2S04) = v(H2S04>M(H2S04) = = 0,75 mol «98 g/mol = 73,5 g.

Odgovor: Na anodi je ispušteno 8,4 litre kisika; U otopini je nastalo 73,5 g sumporne kiseline

Zadatak 2. Odredite volumen plinova koji se oslobađaju na katodi i anodi tijekom elektrolize vodene otopine koja sadrži 111,75 g kalijevog klorida. Koja je tvar nastala u otopini? Nađi njegovu masu.

Kalijev klorid u otopini disocira na ione K+ i Cl:

2KS1 =K+ + Sl

Ioni kalija se ne reduciraju na katodi; umjesto toga reduciraju se molekule vode. Na anodi se ioni klorida oksidiraju i oslobađa se klor:

2H20 + 2e" = H2 + 20H-|1

2SG-2e" = C12|1

Opća jednadžba za elektrolizu je:

2SGl+ 2N2O = N2 + 2ON" + S12 (kratka ionska jednadžba) Otopina također sadrži K+ ione koji nastaju tijekom disocijacije kalijevog klorida i ne sudjeluju u reakciji:

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

Prepišimo jednadžbu u molekularnom obliku:

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

Na katodi se oslobađa vodik, na anodi klor, a u otopini nastaje kalijev hidroksid.

Otopina je sadržavala 111,75 g kalijevog klorida.

Izračunajmo molarnu masu kalijevog klorida:

M(KS1) = 39+35,5 = 74,5 g/mol

Izračunajmo količinu kalijevog klorida:

Prema jednadžbi reakcije, tijekom elektrolize 2 mola kalijevog klorida oslobađa se 1 mol klora. Neka elektrolizom 1,5 mol kalijevog klorida nastane x mol klora. Napravimo proporciju:

2/1=1,5/x, x=1,5/2=0,75 mol

Otpustit će se 0,75 mol klora, v(C!2) = 0,75 mol. Prema jednadžbi reakcije, kada se na anodi oslobodi 1 mol klora, na katodi se oslobodi 1 mol vodika. Dakle, ako se na anodi oslobodi 0,75 mol klora, tada se na katodi oslobodi 0,75 mol vodika, v(H2) = 0,75 mol.

Izračunajmo volumen klora koji se oslobađa na anodi:

V(C12) = v(Cl2)-VM = 0,75 mol «22,4 l/mol = 16,8 l.

Volumen vodika jednak je volumenu klora:

Y(H2) = Y(C12) = 16.81.

Prema jednadžbi reakcije, elektrolizom 2 mola kalijevog klorida nastaje 2 mola kalijevog hidroksida, što znači da elektrolizom 0,75 mola kalijevog klorida nastaje 0,75 mola kalijevog hidroksida. Izračunajmo molarnu masu kalijevog hidroksida:

M(KOH) = 39+16+1 - 56 g/mol.

Izračunajmo masu kalijevog hidroksida:

m(KOH) = v(KOH>M(KOH) = 0,75 mol-56 g/mol = 42 g.

Odgovor: Na katodi se oslobodilo 16,8 litara vodika, na anodi 16,8 litara klora, a u otopini je nastalo 42 g kalijevog hidroksida.

Zadatak 3. Prilikom elektrolize otopine 19 g dvovalentnog metalnog klorida na anodi se oslobodilo 8,96 litara klora. Odredite koji je metalni klorid podvrgnut elektrolizi. Izračunajte volumen vodika koji se oslobodi na katodi.

Označimo nepoznati metal M, formula njegovog klorida je MC12. Na anodi se kloridni ioni oksidiraju i oslobađa se klor. Uvjet kaže da se vodik oslobađa na katodi, stoga dolazi do redukcije molekula vode:

2N20 + 2e- = N2 + 2OH|1

2Cl -2e" = C12! 1

Opća jednadžba za elektrolizu je:

2Cl + 2H2O = H2 + 2OH" + C12 (kratka ionska jednadžba)

Otopina također sadrži M2+ ione, koji se ne mijenjaju tijekom reakcije. Napišimo potpunu ionsku jednadžbu reakcije:

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

Prepišimo jednadžbu reakcije u molekularnom obliku:

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

Nađimo količinu klora oslobođenu na anodi:

Prema jednadžbi reakcije, tijekom elektrolize 1 mola klorida nepoznatog metala oslobađa se 1 mol klora. Ako je oslobođeno 0,4 mol klora, tada je 0,4 mol metalnog klorida podvrgnuto elektrolizi. Izračunajmo molarnu masu metalnog klorida:

Molarna masa nepoznatog metalnog klorida je 95 g/mol. Na dva atoma klora dolazi 35,5"2 = 71 g/mol. Stoga je molarna masa metala 95-71 = 24 g/mol. Ovoj molarnoj masi odgovara magnezij.

Prema jednadžbi reakcije, za 1 mol klora koji se oslobodi na anodi dolazi 1 mol vodika koji se oslobodi na katodi. U našem slučaju na anodi se oslobodilo 0,4 mol klora, što znači da se na katodi oslobodilo 0,4 mol vodika. Izračunajmo volumen vodika:

V(H2) = v(H2>VM = 0,4 mol «22,4 l/mol = 8,96 l.

Odgovor: otopina magnezijevog klorida podvrgnuta je elektrolizi; Na katodi je ispušteno 8,96 litara vodika.

*Zadatak 4. Prilikom elektrolize 200 g otopine kalijevog sulfata koncentracije 15% na anodi se oslobodilo 14,56 litara kisika. Izračunajte koncentraciju otopine na kraju elektrolize.

U otopini kalijevog sulfata, molekule vode reagiraju i na katodi i na anodi:

2N20 + 2e" = N2 + 20N-|2

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

Zbrojimo obje jednadžbe:

6H2O = 2H2 + 4OH" + 4H+ + O2, ili

6H2O = 2H2 + 4H2O + O2, odn

2H2O = 2H2 + 02

Zapravo, kada se dogodi elektroliza otopine kalijevog sulfata, dolazi do elektrolize vode.

Koncentracija otopljene tvari u otopini određena je formulom:

S=m(otopina) 100% / m(otopina)

Da biste pronašli koncentraciju otopine kalijevog sulfata na kraju elektrolize, morate znati masu kalijevog sulfata i masu otopine. Masa kalijevog sulfata ne mijenja se tijekom reakcije. Izračunajmo masu kalijevog sulfata u izvornoj otopini. Označimo koncentraciju početne otopine s C

m(K2S04) = C2 (K2S04) m(otopina) = 0,15 200 g = 30 g.

Masa otopine se mijenja tijekom elektrolize jer se dio vode pretvara u vodik i kisik. Izračunajmo količinu oslobođenog kisika:

(O 2)=V(O2) / Vm =14,56l / 22,4l/mol=0,65mol

Prema jednadžbi reakcije, 2 mola vode proizvode 1 mol kisika. Neka se pri razgradnji x mola vode oslobodi 0,65 mol kisika. Napravimo proporciju:

Razloženo je 1,3 mol vode, v(H2O) = 1,3 mol.

Izračunajmo molarnu masu vode:

M(H2O) = 1-2 + 16 = 18 g/mol.

Izračunajmo masu razgrađene vode:

m(H2O) = v(H2O>M(H2O) = 1,3 mol* 18 g/mol = 23,4 g.

Masa otopine kalijevog sulfata smanjila se za 23,4 g i postala jednaka 200-23,4 = 176,6 g. Izračunajmo sada koncentraciju otopine kalijevog sulfata na kraju elektrolize:

C2 (K2 SO4)=m(K2 SO4) 100% / m(otopina)=30g 100% / 176,6g=17%

Odgovor: koncentracija otopine na kraju elektrolize je 17%.

*Zadatak 5. 188,3 g smjese natrijevog i kalijevog klorida otopljeno je u vodi i kroz dobivenu otopinu propuštena je električna struja. Tijekom elektrolize na katodi se oslobodilo 33,6 litara vodika. Izračunajte sastav smjese kao maseni postotak.

Nakon otapanja smjese kalijevih i natrijevih klorida u vodi, otopina sadrži ione K+, Na+ i Cl-. Na katodi se ne reduciraju niti ioni kalija niti ioni natrija; reduciraju se molekule vode. Na anodi se ioni klorida oksidiraju i oslobađa se klor:

Prepišimo jednadžbe u molekularnom obliku:

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

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

Označimo količinu kalijevog klorida sadržanu u smjesi s x mol, a količinu natrijeva klorida s molom. Prema jednadžbi reakcije, tijekom elektrolize 2 mola natrijevog ili kalijevog klorida oslobađa se 1 mol vodika. Stoga pri elektrolizi x mola kalijevog klorida nastaje x/2 ili 0,5x mola vodika, a pri elektrolizi x mola natrijeva klorida 0,5y mola vodika. Pronađimo količinu vodikove tvari, koji se oslobađa tijekom elektrolize smjese:

Napravimo jednadžbu: 0,5x + 0,5y = 1,5

Izračunajmo molarne mase kalijevih i natrijevih klorida:

M(KS1) = 39+35,5 = 74,5 g/mol

M(NaCl) = 23+35,5 = 58,5 g/mol

Masa x mol kalijevog klorida jednaka je:

m(KCl) = v(KCl)-M(KCl) = x mol-74,5 g/mol = 74,5 x g.

Masa mola natrijeva klorida je:

m(KCl) = v(KCl)-M(KCl) = y mol-74,5 g/mol = 58,5 y g.

Masa smjese je 188,3 g, sastavimo drugu jednadžbu:

74,5x + 58,5y= 188,3

Dakle, rješavamo sustav dviju jednadžbi s dvije nepoznanice:

0,5(x + y)= 1,5

74,5x + 58,5y=188,3g

Iz prve jednadžbe izražavamo x:

x + y = 1,5/0,5 = 3,

x = 3-y

Zamjenom ove x vrijednosti u drugu jednadžbu, dobivamo:

74,5-(3-y) + 58,5y= 188,3

223,5-74,5y + 58,5y= 188,3

-16u = -35,2

y = 2,2 100% / 188,3g = 31,65%

Idemo izračunati maseni udio natrijev klorid:

w(NaCl) = 100% - w(KCl) = 68,35%

Odgovor: smjesa sadrži 31,65% kalijevog klorida i 68,35% natrijevog klorida.

Rješavanje kemijskih problema
svjestan Faradayeva zakona
Srednja škola

Razvoj autora

U velikoj raznolikosti različitih kemijskih problema, kako pokazuje nastavna praksa u školi, najveće poteškoće stvaraju problemi za čije je rješavanje, osim solidnog kemijskog znanja, potrebno i dobro vladanje gradivom fizike. I premda svaka srednja škola ne obraća pozornost na rješavanje čak i najjednostavnijih zadataka koristeći znanje iz dva predmeta - kemije i fizike, problemi ovog tipa ponekad se nalaze na prijemnim ispitima na sveučilištima gdje je kemija glavna disciplina. Stoga, bez ispitivanja problema ove vrste u razredu, učitelj može nenamjerno lišiti svog učenika šanse da upiše sveučilište na glavni predmet kemije.
Ovaj autorski razvoj sadrži preko dvadeset zadataka, na ovaj ili onaj način povezanih s temom “Elektroliza”. Za rješavanje problema ove vrste potrebno je ne samo dobro poznavanje teme "Elektroliza" školski tečaj kemije, ali i poznavati Faradayev zakon koji se uči u školskom kolegiju fizike.
Možda ovaj izbor zadataka neće zanimati baš sve učenike u razredu niti će svima biti dostupan. Ipak, preporuča se da se zadaci ovog tipa obrade sa skupinom zainteresiranih učenika u krugu ili izbornoj nastavi. Sigurno je primijetiti da su problemi ove vrste komplicirani i barem nisu tipični za školski tečaj kemije (govorimo o prosječnom Srednja škola), pa se stoga zadaci ove vrste mogu sigurno uključiti u verzije školske ili okružne kemijske olimpijade za 10. ili 11. razred.
Detaljno rješenje za svaki problem čini razvoj vrijednim alatom, posebno za učitelje početnike. Nakon što je prošao kroz nekoliko problema s učenicima tijekom izbornog sata ili klupskog sata, kreativni učitelj će sigurno zadati nekoliko sličnih problema kod kuće i koristiti ovaj razvoj u procesu provjere domaće zadaće, što će znatno uštedjeti neprocjenjivo vrijeme nastavnika.

Teorijske informacije o problemu

Kemijske reakcije, koja teče pod utjecajem električne struje na elektrodama smještenim u otopinu ili rastaljeni elektrolit, naziva se elektroliza. Pogledajmo primjer.

U čaši na temperaturi od oko 700 ° C nalazi se talina natrijevog klorida NaCl, elektrode su uronjene u nju. Prije nego što električna struja prođe kroz talinu, ioni Na + i Cl – gibaju se kaotično, ali kada se primijeni električna struja, kretanje tih čestica postaje uređeno: ioni Na + žure prema negativno nabijenoj elektrodi, a Cl – iona prema pozitivno nabijenoj elektrodi.

I on– nabijeni atom ili skupina atoma koja ima naboj.

Kation– pozitivno nabijen ion.

Anion– negativno nabijeni ion.

Katoda– prema njoj se kreće negativno nabijena elektroda (pozitivno nabijeni ioni – kationi).

Anoda– prema njoj se kreće pozitivno nabijena elektroda (negativno nabijeni ioni – anioni).

Elektroliza taline natrijeva klorida na platinskim elektrodama

Ukupna reakcija:

Elektroliza vodene otopine natrijeva klorida na ugljičnim elektrodama

Ukupna reakcija:

ili u molekularnom obliku:

Elektroliza vodene otopine bakrova(II) klorida na ugljičnim elektrodama

Ukupna reakcija:

U elektrokemijske serije aktivnost metala, bakar se nalazi desno od vodika, pa će se bakar reducirati na katodi, a klor će se oksidirati na anodi.

Elektroliza vodene otopine natrijevog sulfata na platinskim elektrodama

Ukupna reakcija:

Slično se odvija elektroliza vodene otopine kalijevog nitrata (platinaste elektrode).

Elektroliza vodene otopine cink sulfata na grafitnim elektrodama

Ukupna reakcija:

Elektroliza vodene otopine željezovog(III) nitrata na platinskim elektrodama

Ukupna reakcija:

Elektroliza vodene otopine srebrnog nitrata na platinskim elektrodama

Ukupna reakcija:

Elektroliza vodene otopine aluminijevog sulfata na platinskim elektrodama

Ukupna reakcija:

Elektroliza vodene otopine bakrenog sulfata na bakrenim elektrodama - elektrokemijsko pročišćavanje

Koncentracija CuSO 4 u otopini ostaje konstantna, proces se svodi na prijenos materijala anode na katodu. To je bit procesa elektrokemijske rafinacije (dobivanje čistog metala).

Prilikom izrade shema elektrolize za određenu sol, morate zapamtiti da:

– metalni kationi koji imaju veći standardni elektrodni potencijal (SEP) od vodika (od bakra do uključujući zlato) gotovo se potpuno reduciraju na katodi tijekom elektrolize;

– metalni kationi s malim SEP vrijednostima (od uključivo litija do aluminija) ne reduciraju se na katodi, već se molekule vode reduciraju u vodik;

– metalni kationi, čije su vrijednosti SEP manje od onih za vodik, ali veće od onih za aluminij (od aluminija do vodika), reduciraju se istodobno s vodom tijekom elektrolize na katodi;

– ako vodena otopina sadrži mješavinu kationa raznih metala, na primjer Ag +, Cu 2+, Fe 2+, tada će se u toj smjesi prvo reducirati srebro, a tek onda bakar i željezo;

– na netopivoj anodi tijekom procesa elektrolize dolazi do oksidacije aniona ili molekula vode, a anioni S 2–, I–, Br–, Cl– lako oksidiraju;

– ako otopina sadrži anione kiselina koje sadržavaju kisik , , , , tada se molekule vode oksidiraju u kisik na anodi;

– ako je anoda topljiva, tada se tijekom elektrolize i sama podvrgava oksidaciji, odnosno šalje elektrone u vanjski krug: kada se elektroni otpuste, pomiče se ravnoteža između elektrode i otopine i anoda se otapa.

Ako iz čitavog niza elektrodnih procesa izaberemo samo one koji odgovaraju općoj jednadžbi

M z+ + ze= M,

onda dobivamo raspon naprezanja metala. Vodik se također uvijek nalazi u ovom redu, što vam omogućuje da vidite koji su metali sposobni istisnuti vodik iz vodenih otopina kiselina, a koji ne (tablica).

Stol

Raspon naprezanja metala

Jednadžba elektroda postupak	Standard elektroda potencijal pri 25 °C, V	Jednadžba elektroda postupak	Standard elektroda potencijal na 25 °C, V
Li + + 1 e= Li 0	–3,045	Co 2+ + 2 e= Co 0	–0,277
Rb + + 1 e= Rb 0	–2,925	Ni 2+ + 2 e= Ni 0	–0,250
K + + 1 e= K 0	–2,925	Sn 2+ + 2 e= Sn 0	–0,136
Cs + + 1 e= Cs 0	–2,923	Pb 2+ + 2 e= Pb 0	–0,126
Ca 2+ + 2 e= Ca 0	–2,866	Fe 3+ + 3 e= Fe 0	–0,036
Na + + 1 e= Na 0	–2,714	2H + + 2 e=H2	0
Mg 2+ + 2 e= Mg 0	–2,363	Bi 3+ + 3 e= Bi 0	0,215
Al 3+ + 3 e= Al 0	–1,662	Cu 2+ + 2 e= Cu 0	0,337
Ti 2+ + 2 e= Ti 0	–1,628	Cu + +1 e= Cu 0	0,521
Mn 2+ + 2 e= Mn 0	–1,180	Hg 2 2+ + 2 e= 2Hg 0	0,788
Cr 2+ + 2 e= Cr 0	–0,913	Ag + + 1 e= Ag 0	0,799
Zn 2+ + 2 e= Zn 0	–0,763	Hg 2+ + 2 e= Hg 0	0,854
Cr 3+ + 3 e= Cr 0	–0,744	Točka 2+ + 2 e= Pt 0	1,2
Fe 2+ + 2 e= Fe 0	–0,440	Au 3+ + 3 e= Au 0	1,498
Cd 2+ + 2 e= Cd 0	–0,403	Au + + 1 e= Au 0	1,691

U jednostavnijem obliku, niz metalnih naprezanja može se predstaviti na sljedeći način:

Za rješavanje većine problema elektrolize potrebno je poznavanje Faradayeva zakona, čija je formula dana u nastavku:

m = M ja t/(z F),

Gdje m– masa tvari koja se oslobađa na elektrodi, F– Faradayev broj jednak 96,485 A s/mol, ili 26,8 A h/mol, M– molarna masa elementa reducirana tijekom elektrolize, t– vrijeme procesa elektrolize (u sekundama), ja– jakost struje (u amperima), z– broj elektrona koji sudjeluju u procesu.

Uvjeti problema

1. Kolika će se masa nikla osloboditi pri elektrolizi otopine nikal nitrata tijekom 1 sata pri jakosti struje od 20 A?

2. Pri kojoj jakosti struje je potrebno provesti proces elektrolize otopine srebrovog nitrata da bi se unutar 10 sati dobilo 0,005 kg čistog metala?

3. Kolika će se masa bakra osloboditi pri elektrolizi taline bakrova(II) klorida tijekom 2 sata pri jakosti struje od 50 A?

4. Koliko je vremena potrebno za elektrolizu vodene otopine cink sulfata pri struji od 120 A da bi se dobilo 3,5 g cinka?

5. Kolika će se masa željeza osloboditi pri elektrolizi otopine željezo(III) sulfata pri struji od 200 A tijekom 2 sata?

6. Pri kojoj jakosti struje je potrebno provesti proces elektrolize otopine bakrova(II) nitrata da bi se unutar 15 sati dobilo 200 g čistog metala?

7. Koliko je vremena potrebno za elektrolizu taline željezovog(II) klorida pri jakosti struje od 30 A da bi se dobilo 20 g čistog željeza?

8. Pri kojoj jakosti struje je potrebno provesti proces elektrolize otopine živinog(II) nitrata da bi se unutar 1,5 sati dobilo 0,5 kg čistog metala?

9. Pri kojoj jakosti struje je potrebno provesti proces elektrolize rastaljenog natrijeva klorida da bi se unutar 1,5 sata dobilo 100 g čistog metala?

10. Talina kalijevog klorida podvrgnuta je elektrolizi 2 sata pri struji od 5 A. Nastali metal reagirao je s vodom mase 2 kg. Kolika je koncentracija otopine lužine dobivena?

11. Koliko će grama 30% otopine klorovodične kiseline biti potrebno za potpunu reakciju sa željezom dobivenim elektrolizom otopine željezovog (III) sulfata 0,5 sati pri jakosti struje
10 Ha?

12. U procesu elektrolize rastaljenog aluminijevog klorida, provedenom 245 minuta pri struji od 15 A, dobiven je čisti aluminij. Koliko se grama željeza može dobiti aluminotermičkom metodom reakcijom zadane mase aluminija sa željezovim(III) oksidom?

13. Koliko će mililitara 12% otopine KOH gustoće 1,111 g/ml biti potrebno za reakciju s aluminijem (pri čemu nastaje kalijev tetrahidroksialuminat) dobiven elektrolizom otopine aluminijevog sulfata tijekom 300 minuta pri struji od 25 A?

14. Koliko će mililitara 20%-tne otopine sumporne kiseline gustoće 1,139 g/ml biti potrebno za reakciju sa cinkom dobivenim elektrolizom otopine cinkovog sulfata tijekom 100 minuta pri struji od 55 A?

15. Koliki će se volumen dušikovog(IV) oksida (n.o.) dobiti reakcijom suviška vruće koncentrirane dušične kiseline s kromom dobivenim elektrolizom otopine kromovog(III) sulfata tijekom 100 min pri jakosti struje od 75 A?

16. Koliki će se volumen dušikovog(II) oksida (n.o.) dobiti interakcijom viška otopine dušične kiseline s bakrom dobivenim elektrolizom taline bakrovog(II) klorida tijekom 50 minuta pri jakosti struje od 10,5 A?

17. Koliko je vremena potrebno za elektrolizu taline željezovog(II) klorida pri struji od 30 A da bi se sa 100 g 30%-tne otopine klorovodične kiseline dobilo željezo potrebno za potpunu reakciju?

18. Koliko je vremena potrebno za elektrolizu otopine nikal nitrata pri struji od 15 A da se zagrijavanjem dobije količina nikla potrebna za potpunu reakciju s 200 g 35% otopine sumporne kiseline?

19. Talina natrijevog klorida je elektrolizirana pri struji od 20 A 30 minuta, a talina kalijevog klorida 80 minuta pri struji od 18 A. Oba metala su otopljena u 1 kg vode. Odredite koncentraciju lužina u dobivenoj otopini.

20. Magnezij dobiven elektrolizom taline magnezijevog klorida tijekom 200 minuta pri jakosti struje
10 A, otopljen u 1,5 l 25% otopine sumporne kiseline gustoće 1,178 g/ml. Odredite koncentraciju magnezijevog sulfata u dobivenoj otopini.

21. Cink dobiven elektrolizom otopine cink sulfata tijekom 100 minuta pri jakosti struje

17 A, otopljen u 1 litri 10% otopine sumporne kiseline gustoće 1,066 g/ml. Odredite koncentraciju cink sulfata u dobivenoj otopini.

22. Željezo dobiveno elektrolizom taline željezovog(III) klorida tijekom 70 minuta pri struji od 11 A pretvoreno je u prah i potopljeno u 300 g 18%-tne otopine bakrovog(II) sulfata. Odredite masu bakra koji se istaložio.

23. Magnezij dobiven elektrolizom taline magnezijevog klorida tijekom 90 minuta pri jakosti struje
17 A, uronjen je u otopinu klorovodične kiseline uzete u suvišku. Odredite volumen i količinu oslobođenog vodika (n.s.).

24. Otopina aluminijevog sulfata podvrgnuta je elektrolizi tijekom 1 sata pri struji od 20 A. Koliko će grama 15%-tne otopine klorovodične kiseline biti potrebno da potpuno reagira s nastalim aluminijem?

25. Koliko će litara kisika i zraka (n.o.) biti potrebno za potpuno sagorijevanje magnezija dobivenog elektrolizom taline magnezijevog klorida tijekom 35 minuta pri struji od 22 A?

Za odgovore i rješenja pogledajte sljedeće probleme

Koji teče pod utjecajem električne struje na elektrodama uronjenim u otopinu ili rastaljeni elektrolit.

Postoje dvije vrste elektroda.

Anoda oksidacija.

Katoda- ovo je elektroda na kojoj se javlja oporavak. Anioni teže anodi, budući da ima pozitivan naboj. Kationi teže ka katodi jer je ona negativno nabijena i, prema zakonima fizike, za razliku od naboja se privlače. U svakom elektrokemijskom procesu prisutne su obje elektrode. Uređaj u kojem se provodi elektroliza naziva se elektrolizer. Riža. 1.

Kvantitativne karakteristike elektrolize izražene su s dva Faradayeva zakona:

1) Masa tvari koja se oslobađa na elektrodi izravno je proporcionalna količini elektriciteta koji prolazi kroz elektrolit.

2) Tijekom elektrolize raznih kemijskih spojeva, na elektrodama se oslobađaju jednake količine elektriciteta mase tvari proporcionalne njihovim elektrokemijskim ekvivalentima.

Ova dva zakona mogu se spojiti u jednu jednadžbu:

Gdje m– masa otpuštene tvari, g;

n– broj elektrona prenesenih u elektrodnom procesu;

F– Faradayev broj ( F=96485 C/mol)

ja– jakost struje, A;

t– vrijeme, s;

M– molarna masa otpuštene tvari, g/mol.

S elektrolizom vodene otopine elektrodni procesi su komplicirani kompeticijom između iona (u elektrolizi mogu sudjelovati i molekule vode). Redukcija na katodi određena je položajem metala u nizu standardnih elektrodnih potencijala.

Kationi metala, čiji je standardni elektrodni potencijal veći od potencijala vodika (od Cu2+ do Au3+), gotovo se potpuno reduciraju na katodi tijekom elektrolize. Me n+ + nē →Me Metalni kationi s niskim standardnim elektrodnim potencijalom (uključujući Li2+ do Al3+) ne reduciraju se na katodi, već se umjesto toga reduciraju molekule vode. 2H2O + 2ē → H2 + 2OH- Metalni kationi koji imaju standardni elektrodni potencijal manji od potencijala vodika, ali veći od potencijala aluminija (od Mn2+ do H), reduciraju se tijekom elektrolize na katodi istovremeno s molekulama vode. Me n+ + nē →Me 2H2O + 2ē → H2 + 2OH- Ako je u otopini više kationa, prvo se na katodi reduciraju kationi najmanje aktivnog metala.

Primjer natrijevog sulfata (Na2SO4)

Na2SO4↔ 2Na++ SO42-

katoda: 2H2O + 2e → H2 + 2OH-

anoda: 2H2O - 4e → O2 + 4H+

4OH-- 4H+→ 4H2O

Elektroliza topi se dobivaju se mnogi reaktivni metali. Kada rastaljeni natrijev sulfat disocira, nastaju natrijevi ioni i sulfatni ioni.

Na2SO4 → 2Na+ + SO42−

– natrij se oslobađa na katodi:

Na+ + 1 e− → Na

– na anodi se oslobađaju kisik i sumporni oksid (VI):

2SO42− − 4 e− → 2SO3 +O2

– ukupna ionska jednadžba reakcije (jednadžba katodnog procesa pomnožena s 4)

4 Na+ + 2SO42− → 4 Na 0 + 2SO3 +O2

– ukupna reakcija:

4 Na2SO44 Na 0 + 2SO3 +O2

Elektroliza rastaljenih soli

Za dobivanje visoko aktivnih metala (natrij, aluminij, magnezij, kalcij itd.), koji lako stupaju u interakciju s vodom, koristi se elektroliza rastaljenih soli ili oksida:

1. Elektroliza rastaljenog bakrova (II) klorida.

Elektrodni procesi mogu se izraziti polureakcijama:

na katodi K(-): Cu 2+ + 2e = Cu 0 - katodna redukcija

na anodi A(+): 2Cl – - 2e = Cl 2 - anodna oksidacija

Ukupna reakcija elektrokemijske razgradnje tvari zbroj je dviju elektrodnih polureakcija, a za bakrov klorid izrazit će se jednadžbom:

Cu 2+ + 2 Cl – = Cu + Cl 2

Tijekom elektrolize lužina i soli oksokiselina, na anodi se oslobađa kisik:

4OH – - 4e = 2H 2 O + O 2

2SO 4 2– - 4e = 2SO 3 + O 2

2. Elektroliza taline kalijevog klorida:

Elektroliza otopina

Skup redoks reakcija koje se odvijaju na elektrodama u otopinama ili talinama elektrolita kada kroz njih prođe električna struja naziva se elektroliza.

Na katodi "-" izvora struje odvija se proces prijenosa elektrona na katione iz otopine ili taline, pa je katoda "redukcijsko sredstvo".

Na "+" anodi, elektrone odaju anioni, tako da je anoda "oksidacijsko sredstvo".

Tijekom elektrolize, konkurentni procesi mogu se pojaviti i na anodi i na katodi.

Kada se elektroliza provodi pomoću inertne (nepotrošne) anode (na primjer, grafitne ili platinske), u pravilu se natječu dva oksidativna i dva redukcijska procesa:
na anodi - oksidacija aniona i hidroksidnih iona,
na katodi – redukcija kationa i vodikovih iona.

Kada se elektroliza provodi pomoću aktivne (potrošne) anode, proces postaje kompliciraniji i konkurentne reakcije na elektrodama su:
na anodi - oksidacija aniona i hidroksidnih iona, anodno otapanje metala - materijal anode;
na katodi - redukcija kationa soli i iona vodika, redukcija kationa metala dobivenih otapanjem anode.

Pri izboru najvjerojatnijeg procesa na anodi i katodi treba polaziti od stava da će se odvijati reakcija koja zahtijeva najmanje energije. Osim toga, za odabir najvjerojatnijeg procesa na anodi i katodi tijekom elektrolize otopina soli s inertnom elektrodom koriste se sljedeća pravila:

1. Sljedeći proizvodi mogu nastati na anodi:

a) tijekom elektrolize otopina koje sadrže anione SO 4 2-, NO - 3, PO 4 3-, kao i otopina lužina, dolazi do oksidacije vode na anodi i oslobađanja kisika;

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

b) tijekom oksidacije aniona Cl - , Br - , I - oslobađa se redom klor, brom, odnosno jod;

A + Cl - +e - = Cl 0

2. Sljedeći proizvodi mogu nastati na katodi:

a) tijekom elektrolize otopina soli koje sadrže ione smještene u nizu napona lijevo od Al 3+, voda se reducira na katodi i oslobađa se vodik;

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

b) ako se metalni ion nalazi u nizu napona desno od vodika, tada se metal oslobađa na katodi.

K - Me n+ + ne - = Me 0

c) tijekom elektrolize otopina soli koje sadrže ione smještene u nizu napona između Al + i H +, na katodi se mogu pojaviti kompetitivni procesi redukcije kationa i razvijanja vodika.

Primjer: Elektroliza vodene otopine srebrnog nitrata na inertnim elektrodama

Disocijacija srebrnog nitrata:

AgNO 3 = Ag + + NO 3 -

Tijekom elektrolize vodene otopine AgNO 3, na katodi dolazi do redukcije Ag + iona, a na anodi do oksidacije molekula vode:

Katoda: Ag + + e = A g

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

Sažeta jednadžba:____________________________________________________

4AgNO3 + 2H2O = 4Ag + 4HNO3 + O2

Nacrtajte sheme elektrolize vodenih otopina: a) bakrenog sulfata; b) magnezijev klorid; c) kalijev sulfat.

U svim slučajevima elektroliza se provodi pomoću ugljenih elektroda.

Primjer: Elektroliza vodene otopine bakrenog klorida na inertnim elektrodama

Disocijacija bakrenog klorida:

CuCl 2 ↔ Cu 2+ + 2Cl -

Otopina sadrži Cu 2+ i 2Cl - ione, koji se pod utjecajem električne struje usmjeravaju na odgovarajuće elektrode:

Katoda - Cu 2+ + 2e = Cu 0

Anoda + 2Cl - - 2e = Cl 2

_______________________________

CuCl 2 = Cu + Cl 2

Na katodi se oslobađa metalni bakar, a na anodi plinoviti klor.

Ako u razmatranom primjeru elektrolize otopine CuCl 2 kao anodu uzmemo bakrenu ploču, tada se na katodi oslobađa bakar, a na anodi, gdje se odvijaju oksidacijski procesi, umjesto pražnjenja iona Cl 0 i oslobađanja klora, oksidacija anode (bakar).

U tom slučaju se sama anoda otapa, te prelazi u otopinu u obliku iona Cu 2+.

Elektroliza CuCl 2 s topljivom anodom može se napisati na sljedeći način:

Elektroliza otopina soli s topljivom anodom svodi se na oksidaciju anodnog materijala (njegovo otapanje) i prati ga prijenos metala s anode na katodu. Ovo se svojstvo naširoko koristi u rafiniranju (čišćenju) metala od onečišćenja.

Primjer: Elektroliza vodene otopine magnezijevog klorida na inertnim elektrodama

Disocijacija magnezijevog klorida u vodenoj otopini:

MgCl 2 ↔ Mg 2+ +2Sl -

Magnezijevi ioni se ne mogu reducirati u vodenoj otopini (voda se reducira), kloridni ioni se oksidiraju.

Shema elektrolize:

Primjer: Elektroliza vodene otopine bakrenog sulfata na inertnim elektrodama

U otopini bakar sulfat disocira na ione:

CuSO 4 = Cu 2+ + SO 4 2-

Ioni bakra mogu se reducirati na katodi u vodenoj otopini.

Sulfatni ioni u vodenoj otopini ne oksidiraju, pa će se na anodi dogoditi oksidacija vode.

Shema elektrolize:

Elektroliza vodene otopine soli aktivnog metala i kiseline koja sadržava kisik (K 2 SO 4) na inertnim elektrodama

Primjer: Disocijacija kalijevog sulfata u vodenoj otopini:

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

Kalijevi ioni i sulfatni ioni ne mogu se isprazniti na elektrodama u vodenoj otopini, stoga će se redukcija dogoditi na katodi, a oksidacija vode na anodi.

Shema elektrolize:

ili, s obzirom da je 4H + + 4OH - = 4H 2 O (provedeno uz miješanje),

H2O2H2+O2

Ako se električna struja propusti kroz vodenu otopinu soli aktivnog metala i kiseline koja sadržava kisik, tada se ne ispuštaju ni metalni kationi ni ioni kiselinskog ostatka.

Na katodi se oslobađa vodik, a na anodi kisik, te se elektroliza svodi na elektrolitičku razgradnju vode.

Elektroliza taline natrijevog hidroksida

Elektroliza vode uvijek se provodi u prisutnosti inertnog elektrolita (za povećanje električne vodljivosti vrlo slabog elektrolita - vode):

Faradayev zakon

Ovisnost količine tvari nastale pod utjecajem električne struje o vremenu, jakosti struje i prirodi elektrolita može se utvrditi na temelju Faradayeva generaliziranog zakona:

gdje je m masa tvari nastale tijekom elektrolize (g);

E je ekvivalentna masa tvari (g/mol);

M je molarna masa tvari (g/mol);

n je broj predanih ili primljenih elektrona;

I - jakost struje (A); t - trajanje procesa (s);

F je Faradayeva konstanta, karakterizira količinu električne energije potrebne za oslobađanje 1 ekvivalentne mase tvari (F = 96 500 C/mol = 26,8 Ah/mol).

Hidroliza anorganskih spojeva

Interakcija iona soli s vodom, koja dovodi do stvaranja slabih molekula elektrolita, naziva se hidroliza soli.

Ako sol promatramo kao proizvod neutralizacije baze s kiselinom, tada soli možemo podijeliti u četiri skupine, od kojih će svaka hidroliza teći na svoj način.

1. Sol koju čine jaka baza i jaka kiselina KBr, NaCl, NaNO 3) neće biti podvrgnuta hidrolizi, jer u tom slučaju ne nastaje slab elektrolit. Reakcija okoline ostaje neutralna.

2. U soli koju čine slaba baza i jaka kiselina FeCl 2, NH 4 Cl, Al 2 (SO 4) 3, MgSO 4), kation prolazi kroz hidrolizu:

FeCl 2 + HOH → Fe(OH)Cl + HCl

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

Kao rezultat hidrolize nastaje slabi elektrolit, H + ion i drugi ioni. pH otopine< 7 (раствор приобретает кислую реакцию).

3. Sol nastala od jake baze i slabe kiseline (KClO, K 2 SiO 3, Na 2 CO 3, CH 3 COONa) podvrgava se hidrolizi na anionu, što rezultira stvaranjem slabog elektrolita, hidroksidnog iona i drugih iona .

K 2 SiO 3 + HOH → KHSiO 3 + KOH

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

pH takvih otopina je > 7 (otopina postaje alkalna).

4. Sol koju čine slaba baza i slaba kiselina (CH 3 COONH 4, (NH 4) 2 CO 3, Al 2 S 3) hidroliziraju i kation i anion. Kao rezultat toga nastaju lagano disocirajuća baza i kiselina. pH otopina takvih soli ovisi o relativnoj jakosti kiseline i baze.

Algoritam za pisanje jednadžbi reakcije hidrolize soli slabe kiseline i jake baze

Postoji nekoliko opcija za hidrolizu soli:

1. Hidroliza soli slabe kiseline i jake baze: (CH 3 COONa, KCN, Na 2 CO 3).

Primjer 1. Hidroliza natrijevog acetata.

ili CH 3 COO – + Na + + H 2 O ↔ CH 3 COOH + Na + + OH –

CH 3 COO – + H 2 O ↔ CH 3 COOH + OH –

Budući da octena kiselina slabo disocira, acetatni ion veže H + ion, pa se disocijacijska ravnoteža vode pomiče udesno prema Le Chatelierovom principu.

OH - ioni se nakupljaju u otopini (pH >7)

Ako sol tvori višebazna kiselina, tada se hidroliza odvija u fazama.

Na primjer, hidroliza karbonata: Na 2 CO 3

Faza I: CO 3 2– + H 2 O ↔ HCO 3 – + OH –

Faza II: HCO 3 – + H 2 O ↔ H 2 CO 3 + OH –

Na2CO3 + H2O = NaHCO3 + NaOH

Obično je samo proces koji se odvija u prvoj fazi od praktične važnosti, što je u pravilu ograničeno na procjenu hidrolize soli.

Ravnoteža hidrolize u drugom stupnju znatno je pomaknuta ulijevo u odnosu na ravnotežu prvog stupnja, jer u prvom stupnju nastaje slabiji elektrolit (HCO 3 -) nego u drugom (H 2 CO 3)

Primjer 2. Hidroliza rubidijevog ortofosfata.

1. Odredite vrstu hidrolize:

Rb 3 PO 4 ↔ 3Rb + + P.O. 4 3–

Rubidij je alkalni metal, njegov hidroksid je jaka baza, fosforna kiselina, posebno u svom trećem stadiju disocijacije, što odgovara stvaranju fosfata, je slaba kiselina.

Hidroliza se događa na anionu.

PO 3- 4 + H–OH ↔ HPO 2- 4 + OH – .

Produkti su hidrofosfatni i hidroksidni ioni, medij je alkalni.

3. Sastavite molekularnu jednadžbu:

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

Dobili smo kiselu sol - rubidij hidrogenfosfat.

Algoritam za pisanje jednadžbi reakcije hidrolize soli jake kiseline i slabe baze

2. Hidroliza soli jake kiseline i slabe baze: NH 4 NO 3, AlCl 3, Fe 2 (SO 4) 3.

Primjer 1. Hidroliza amonijevog nitrata.

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

NH 4 + + H 2 O ↔ NH 4 OH + H +

U slučaju kationa s višestrukim nabojem, hidroliza se odvija postupno, na primjer:

Stadij I: Cu 2+ + HOH ↔ CuOH + + H +

Faza II: CuOH + + HOH ↔ Cu(OH) 2 + H +

CuCl 2 + H 2 O = CuOHCl + HCl

U ovom slučaju, koncentracija vodikovih iona i pH medija u otopini također su određeni uglavnom prvim stupnjem hidrolize.

Primjer 2. Hidroliza bakrovog(II) sulfata

1. Odredite vrstu hidrolize. U ovoj fazi potrebno je napisati jednadžbu disocijacije soli:

CuSO 4 ↔ Cu 2+ + SO 2- 4.

Sol nastaje kationom slabe baze (naglašavamo) i anionom jake kiseline. Dolazi do hidrolize kationa.

2. Napišemo ionsku jednadžbu hidrolize i odredimo medij:

Cu 2+ + H-OH ↔ CuOH + + H + .

Nastaju hidroksibakar(II) kation i vodikov ion, medij je kisel.

3. Sastavite molekularnu jednadžbu.

Mora se uzeti u obzir da je sastavljanje takve jednadžbe određeni formalni zadatak. Od pozitivnih i negativnih čestica u otopini sastavljamo neutralne čestice koje postoje samo na papiru. U ovom slučaju možemo stvoriti formulu (CuOH) 2 SO 4, ali da bismo to učinili moramo mentalno pomnožiti našu ionsku jednadžbu s dva.

Dobivamo:

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

Imajte na umu da proizvod reakcije pripada skupini bazičnih soli. Nazivi glavnih soli, kao i nazivi intermedijarnih soli, trebaju biti sastavljeni od naziva aniona i kationa; u ovom slučaju sol ćemo nazvati "hidroksibakar(II) sulfat".

Algoritam za pisanje jednadžbi reakcije hidrolize soli slabe kiseline i slabe baze

3. Hidroliza soli slabe kiseline i slabe baze:

Primjer 1. Hidroliza amonijevog acetata.

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

U tom slučaju nastaju dva slabo disocirana spoja, a pH otopine ovisi o relativnoj jakosti kiseline i baze.

Ako se proizvodi hidrolize mogu ukloniti iz otopine, na primjer, u obliku taloga ili plinovite tvari, tada se hidroliza nastavlja do kraja.

Primjer 2. Hidroliza aluminijevog sulfida.

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

2A l 3+ + 3 S 2- + 6N 2 O = 2Al(ON) 3 (talog) + ZN 2 S (plin)

Primjer 3 Hidroliza aluminij acetata

1. Odredite vrstu hidrolize:

Al(CH3COO)3= Al 3+ + 3CH 3 GUGUTATI – .

Sol nastaje kationom slabe baze i anionima slabe kiseline.

2. Napišemo jednadžbe ionske hidrolize i odredimo medij:

Al 3+ + H–OH ↔ AlOH 2+ + H + ,

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

S obzirom da je aluminijev hidroksid vrlo slaba baza, pretpostavljamo da će do hidrolize na kationu doći u većoj mjeri nego na anionu. Posljedično, u otopini će biti višak vodikovih iona, a medij će biti kisel.

Ovdje nema smisla pokušavati stvoriti sumarnu jednadžbu za reakciju. Obje reakcije su reverzibilne, nemaju međusobne veze i takvo zbrajanje je besmisleno.

3. Napravimo molekularnu jednadžbu:

Al(CH3COO)3 + H2O = AlOH(CH3COO)2 + CH3COOH.

Ovo je ujedno i formalna vježba za uvježbavanje sastavljanja formula soli i njihove nomenklature. Nazovimo dobivenu sol hidroksoaluminijev acetat.

Algoritam za pisanje jednadžbi reakcije hidrolize soli jake kiseline i jake baze

4. Soli nastale od jake kiseline i jake baze ne podliježu hidrolizi jer jedini spoj koji slabo disocira je H2O.

Sol jake kiseline i jake baze ne podliježe hidrolizi, a otopina je neutralna.