亜硫酸ナトリウム溶液の電気分解の方程式。 物質の溶融物および溶液の電気分解
モジュール 2. 化学の基本プロセスと物質の性質
ラボ #7
トピック: 塩水溶液の電気分解
電気分解によるこれは、電流が電解質の溶液または溶融物を通過するときに電極で発生する酸化還元プロセスと呼ばれます。
電解質溶液または溶融物に一定の電流が流れると、陽イオンは陰極に向かって移動し、陰イオンは陽極に向かって移動します。 酸化還元プロセスは電極で行われます。 陰極は陽イオンに電子を供与するため還元剤であり、陽極は陰イオンから電子を受け取るため酸化剤です。 電極で発生する反応は、電解質の組成、溶媒の性質、電極の材料、セルの動作モードによって異なります。
塩化カルシウム溶融物の電気分解プロセスの化学：
CaCl 2 ↔ Ca 2+ + 2Cl -
陰極で Ca 2+ + 2e → Ca °
アノードで 2Cl - - 2e → 2C1 ° → C1 2
不溶性陽極での硫酸カリウム溶液の電気分解は、次のようになります。
K 2 SO 4 ↔ 2K + + SO 4 2 -
H 2 O ↔ H + + OH -
陰極で 2Н + + 2е→2Н°→ Н 2 2
アノードで 4OH - 4e → O 2 + 4H + 1
K 2 SO 4 + 4H 2 O 2H 2 + O 2 + 2K0H + H 2 SO 4
目的：塩溶液の電気分解に慣れる。
デバイスと機器:整流器、電解槽、カーボン電極、サンドペーパー、カップ、ワッシャー。
米。 1. 搬出装置
電解
1 - 電解槽;
2 - 電極;
3 導線; DC ソース。
試薬と溶液:塩化銅СuС1 2、ヨウ化カリウムKIの5％溶液 , 硫酸水素カリウム KHSO 4 、硫酸ナトリウム Na 2 SO 4 、硫酸銅 CuSO 4 、硫酸亜鉛 ZnSO 4 、20% 水酸化ナトリウム溶液 NaOH、銅およびニッケルプレート、フェノールフタレイン溶液、硝酸 (濃) HNO 3 、1% デンプン溶液、中性リトマス試験紙、10% 硫酸溶液 H 2 SO 4 。
体験1.不溶性電極による塩化銅の電気分解
電解槽に 5% 塩化銅溶液を容量の半分まで満たします。 グラファイト ロッドを電解槽の両膝に下ろし、セグメントとゴム チューブにゆるく固定します。 電極の端を導体で直流電源に接続します。 わずかに塩素臭がする場合は、すぐに電解槽を電源から外してください。 陰極で何が起こるか? 電極反応の式を作ります。
体験2. 不溶性電極によるヨウ化カリウムの電気分解
電解セルを 5% のヨウ化カリウム溶液で満たします。 各膝に 2 滴のフェノールフタレインを追加します。 ペースト の電解槽グラファイト電極の各膝とそれらを直流電源に接続します。
溶液が変色したのはどの膝で、なぜですか? 各膝にでんぷんペーストを 1 滴加えます。 ヨウ素はどこで、なぜ放出されるのですか? 電極反応の式を作ります。 カソード空間では何が形成されますか?
体験3.不溶性電極による硫酸ナトリウムの電気分解
電解槽の容量の半分を 5% 硫酸ナトリウム溶液で満たし、メチル オレンジまたはリトマスを各膝に 2 滴加えます。 両膝に電極を挿入し、直流電源に接続します。 観察結果を書き留めます。 電解質溶液が異なる電極で異なる色に変わるのはなぜですか? 電極反応の式を作ります。 電極上で放出されるガスとその理由は何ですか? 硫酸ナトリウム水溶液の電気分解プロセスの本質は何ですか
電解
金属を得る方法の 1 つに電気分解があります。 活性金属は、化学化合物の形でのみ自然界に存在します。 遊離状態でこれらの化合物から分離する方法は?
電解質の溶液と溶融物は電流を伝導します。 しかし、電解液に電流を流すと化学反応が起こります。 2 枚の金属板を電解質溶液または溶融物に入れ、それぞれを電流源の極の 1 つに接続するとどうなるかを考えてみましょう。 これらのプレートは電極と呼ばれます。 電流は電子の流れです。 回路内の電子が1つの電極から別の電極に移動するという事実の結果として、過剰な電子が電極の1つに現れます。 電子は負の電荷を持っているため、この電極は負に帯電します。 陰極といいます。 もう一方の電極では、電子が不足し、正に帯電します。 この電極はアノードと呼ばれます。 溶液または溶融物中の電解質は、正に帯電したイオン (陽イオン) と負に帯電したイオン (陰イオン) に解離します。 陽イオンは、負に帯電した電極 (陰極) に引き付けられます。 陰イオンは、正に帯電した電極 (陽極) に引き寄せられます。 電極の表面では、イオンと電子の間の相互作用が発生する可能性があります。
電気分解とは、電流が電解質の溶液または溶融物を通過するときに発生するプロセスを指します。
溶液の電気分解と電解質の融解の間に発生するプロセスはまったく異なります。 これらの両方のケースを詳細に検討してみましょう。
溶融電解
例として、塩化ナトリウム溶融物の電気分解を考えてみましょう。 溶融物中で、塩化ナトリウムはイオンに解離しますナ+
および Cl - : NaCl = Na + + Cl -
ナトリウム陽イオンは、負に帯電した電極 (陰極) の表面に移動します。 カソード表面には過剰な電子があります。 したがって、電極表面からナトリウムイオンへの電子の移動があります。 同時に、イオンナ+ ナトリウム原子に変換されます。つまり、陽イオンが還元されますナ+ . プロセス式:
Na + + e - = Na
塩化物イオン Cl - 正に帯電した電極 - アノードの表面に移動します。 陽極表面に電子が不足し、陰イオンから電子が移動する Cl- 電極の表面に。 同時に、マイナスイオン Cl- 塩素原子に変換され、すぐに結合して塩素分子 C を形成します。 l2 :
2C l - -2e - \u003d Cl 2
塩化物イオンは電子を失います。つまり、酸化されます。
カソードとアノードで発生するプロセスの方程式をまとめて書きましょう
Na + + e - = Na
2 C l - -2 e - \u003d Cl 2
1 つの電子はナトリウム カチオンの還元プロセスに関与し、2 つの電子は塩素イオンの酸化プロセスに関与します。 ただし、電荷保存の法則、つまり溶液中のすべての粒子の総電荷が一定でなければならないため、ナトリウム陽イオンの還元に関与する電子の数は電子の数と等しくなければなりません。塩化物イオンの酸化に関与しているため、最初の式に 2 を掛けます。
Na + + e - \u003d Na 2
2C l - -2e - \u003d Cl 2 1
両方の式を足し合わせて、反応の一般式を取得します。
2 Na + + 2C l - \u003d 2 Na + Cl 2 (イオン反応式)、または
2 NaCl \u003d 2 Na + Cl 2 (分子反応式)
したがって、考えられる例では、電気分解が酸化還元反応であることがわかります。 陰極では、正に帯電したイオンの還元 - 陽イオン、陽極では、負に帯電したイオンの酸化 - 陰イオン。 どのプロセスがどこで発生したかを覚えておくには、「T ルール」を使用できます。
カソード - カチオン - 還元。
例 2水酸化ナトリウム溶融物の電気分解。
溶液中の水酸化ナトリウムは、陽イオンと水酸化物イオンに解離します。
カソード (-)<-- Na + + OH - à Анод (+)
カソード表面では、ナトリウム陽イオンが還元され、ナトリウム原子が形成されます。
カソード (-) Na + +e à Na
水酸化物イオンはアノード表面で酸化され、酸素が放出されて水分子が形成されます。
カソード (-) Na + + e à Na
陽極 (+)4 OH - - 4 e à 2 H 2 O + O 2
ナトリウムカチオンの還元反応と水酸化物イオンの酸化反応に関与する電子の数は同じでなければなりません。 それでは、最初の式に 4 を掛けましょう。
カソード (-) Na + + e à Na 4
アノード (+)4 OH - – 4 e à 2 H 2 O + O 2 1
両方の方程式をまとめると、電気分解反応の方程式が得られます。
4 NaOH → 4 Na + 2 H 2 O + O 2
例 3融液の電気分解を考える Al2O3
この反応を利用して、酸化アルミニウムを多く含む天然化合物であるボーキサイトからアルミニウムが得られます。 酸化アルミニウムの融点は非常に高い (2000º C 以上) ため、特別な添加剤が添加され、融点が 800 ～ 900 º C に低下します。溶融物中で、酸化アルミニウムはイオンに解離します。 Al 3+ および O 2-。 ひ 陽イオンは陰極で還元されますアル 3+ 、アルミニウム原子に変わります：
アル +3 エ ア アル
陰イオンは陽極で酸化されます O 2- 酸素原子に変わります。 酸素原子はすぐに結合して O 2 分子になります。
2 O 2- – 4 e à O 2
アルミニウム カチオンの還元と酸素イオンの酸化に関与する電子の数は等しくなければならないため、最初の式に 4 を掛け、2 番目の式に 3 を掛けます。
Al 3+ +3 e à Al 0 4
2 O 2- – 4 e à O 2 3
両方の方程式を追加して取得しましょう
4 Al 3+ + 6 O 2- a 4 Al 0 +3 O 2 0 (イオン反応式)
2 Al 2 O 3 → 4 Al + 3 O 2
溶液電解
電解質水溶液に電流を流す場合、溶液中に水分子が存在するため、問題は複雑になります。水分子も電子と相互作用する可能性があります。 水分子では、水素原子と酸素原子が極性共有結合によって接続されていることを思い出してください。 酸素の電気陰性度は水素の電気陰性度よりも大きいため、共有電子対は酸素原子に向かってシフトします。 酸素原子では部分的な負電荷が発生し、δ- で示され、水素原子では部分的に正電荷を持ち、δ+ で示されます。
δ+
H-O δ-
│
Hδ+
この電荷のシフトにより、水分子には正と負の「極」があります。 したがって、水分子は、正に帯電した極によって負に帯電した電極 (陰極) に引き寄せられ、負の極によって正に帯電した電極 (陽極) に引き寄せられます。 カソードでは、水分子が還元され、水素が放出されます。
水分子の酸化は、酸素の放出とともにアノードで発生する可能性があります。
2 H 2 O - 4e - \u003d 4H + + O 2
したがって、電解質カチオンまたは水分子のいずれかがカソードで還元されます。 この 2 つのプロセスは互いに競合しているように見えます。 陰極で実際にどのようなプロセスが行われるかは、金属の性質によって異なります。 金属陽イオンまたは水分子が陰極で還元されるかどうかは、陰極の金属の位置に依存します。 一連の金属応力 .
Li K Na Ca Mg Al ¦¦ Zn Fe Ni Sn Pb (H 2) ¦¦ Cu Hg Ag Au
金属が水素の右側の電圧系列にある場合、金属陽イオンはカソードで還元され、遊離金属が放出されます。 金属がアルミニウムの左側の電圧系列にある場合、水分子はカソードで還元され、水素が放出されます。 最後に、亜鉛から鉛への金属カチオンの場合、金属の発生または水素の発生のいずれかが発生する可能性があり、水素と金属の両方が同時に発生することもあります。 一般に、これはかなり複雑なケースであり、反応条件（溶液の濃度、電流の強さなど）に大きく依存します。
電解質陰イオンの酸化または水分子の酸化の 2 つのプロセスのうちの 1 つがアノードでも発生する可能性があります。 どのプロセスが実際に行われるかは、陰イオンの性質によって異なります。 無酸素酸の塩または酸自体の電気分解中、陰イオンは陽極で酸化されます。 唯一の例外はフッ化物イオンです F- . 酸素含有酸の場合、水分子は陽極で酸化され、酸素が放出されます。
例 1塩化ナトリウム水溶液の電気分解を見てみましょう。
塩化ナトリウムの水溶液にはナトリウム陽イオンがあります Na + 、塩素陰イオン Cl - および水分子。
2 NaCl a 2 Na + + 2 Cl -
2Н 2 О а 2 H + + 2 OH -
カソード (-) 2 Na + ; 2 H + ; 2Н + + 2Н Н 0 2
アノード (+) 2 Cl - ; 2OH-; 2 Cl - – 2e a 2 Cl 0
2NaCl + 2H 2 O → H 2 + Cl 2 + 2NaOH
化学 アクティビティ 陰イオン 減少します。
例 2塩が含まれている場合はどうなりますか SO 4 2- ? 硫酸ニッケル溶液の電気分解を考えてみましょう (Ⅱ ）。 硫酸ニッケル（Ⅱ ) イオンに解離する Ni 2+ および SO 4 2-:
NiSO 4 → Ni 2+ + SO 4 2-
H 2 O → H + + OH -
ニッケルカチオンは金属イオンの間にあります Al 3+ および Pb 2+ 、一連の電圧の中間の位置を占めるため、カソードでの回復プロセスは両方のスキームに従って発生します。
2 H 2 O + 2e - \u003d H 2 + 2OH -
酸素含有酸の陰イオンは陽極で酸化されません ( 陰イオン活性シリーズ )、水分子は酸化されます:
アノード e à O 2 + 4H +
カソードとアノードで発生するプロセスの方程式を一緒に書きましょう。
カソード (-) Ni 2+ ; H + ; Ni 2+ + 2е а Ni 0
2 H 2 O + 2e - \u003d H 2 + 2OH -
アノード (+) SO 4 2- ; オハイオ州 -; 2H 2 O - 4 e à O 2 + 4H +
4 個の電子が還元プロセスに関与し、4 個の電子が酸化プロセスにも関与しています。 これらの方程式をまとめると、一般的な反応方程式が得られます。
Ni 2+ +2 H 2 O + 2 H 2 O → Ni 0 + H 2 + 2OH - + O 2 + 4 H +
式の右辺には、H + イオンとおー- 、結合して水分子を形成します。
H + + OH - à H 2 O
したがって、式の右辺では、4 つの H + イオンと 2 つのイオンの代わりにおー- 2 つの水分子と 2 つの H + イオンを書きます。
Ni 2+ +2 H 2 O + 2 H 2 O → Ni 0 + H 2 +2 H 2 O + O 2 + 2 H +
方程式の両側にある 2 つの水分子を減らしましょう。
Ni 2+ +2 H 2 O → Ni 0 + H 2 + O 2 + 2 H +
これは短いイオン方程式です。 完全なイオン方程式を得るには、硫酸イオンの両方の部分に追加する必要があります SO 4 2- 、硫酸ニッケルの解離中に形成される (Ⅱ ) そして反応に参加しない:
Ni 2+ + SO 4 2- + 2H 2 O à Ni 0 + H 2 + O 2 + 2H + + SO 4 2-
したがって、硫酸ニッケル溶液の電気分解中 (Ⅱ ) 水素とニッケルはカソードで放出され、酸素はアノードで放出されます。
NiSO 4 + 2H 2 O → Ni + H 2 + H 2 SO 4 + O 2
例 3 硫酸ナトリウム水溶液を不活性陽極で電気分解する過程の方程式を書きなさい。
システムの標準電極電位ナ + + e = ナ 0 は、中性水性媒体中の水電極の電位 (-0.41 V) よりもはるかに負であるため、陰極で水の電気化学的還元が起こり、水素の発生が伴います。
2Н 2 О а 2 H + + 2 OH -
およびNaイオン + が陰極に到達すると、溶液の隣接部分 (陰極空間) に蓄積されます。
アノードでは、水の電気化学的酸化が起こり、酸素が放出されます。
2 H 2 O - 4e à O 2 + 4 H +
この制度に対応しているため 標準電極電位 (1.23 V) は、システムを特徴付ける標準電極電位 (2.01 V) よりも大幅に低い
2 SO 4 2- + 2 e \u003d S 2 O 8 2-。
イオン SO 4 2- 電気分解中に陽極に向かって移動すると、陽極空間に蓄積されます。
陰極過程の方程式を 2 倍し、それを陽極過程の方程式と足すと、電気分解過程の全方程式が得られます。
6 H 2 O \u003d 2 H 2 + 4 OH - + O 2 + 4 H +
イオンが陰極空間と陽極空間に同時に蓄積されることを考慮すると、全体のプロセス方程式は次の形式で記述できます。
6H 2 O + 2Na 2 SO 4 \u003d 2H 2 + 4Na + + 4OH - + O 2 + 4H + + 2SO 4 2-
したがって、水素と酸素の放出と同時に、水酸化ナトリウム（カソード空間）と硫酸（アノード空間）が形成されます。
例 4硫酸銅溶液の電気分解（ II) CuSO4。
カソード (-)<-- Cu 2+ + SO 4 2- à анод (+)
カソード (-) Cu 2+ + 2e à Cu 0 2
アノード (+) 2H 2 O - 4 e à O 2 + 4H + 1
H + イオンは溶液中に残り、 SO 4 2- 、硫酸が蓄積するからです。
2CuSO 4 + 2H 2 O → 2Cu + 2H 2 SO 4 + O 2
例 5 塩化銅溶液の電気分解（ II) CuCl 2 。
カソード (-)<-- Cu 2+ + 2Cl - à анод (+)
カソード (-) Cu 2+ + 2e à Cu 0
アノード (+) 2Cl - – 2e à Cl 0 2
どちらの式も 2 つの電子を含みます。
Cu 2+ + 2e → Cu 0 1
2Cl - --– 2e → Cl 2 1
Cu 2+ + 2 Cl - → Cu 0 + Cl 2 (イオン方程式)
CuCl 2 → Cu + Cl 2 (分子方程式)
例 6 硝酸銀溶液の電気分解 AgNO3。
カソード (-)<-- Ag + + NO 3 - à Анод (+)
カソード (-) Ag + + e à Ag 0
アノード (+) 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 → 4 Ag 0 + 4 H + + 〇 2 (イオン方程式)
4 Ag + + 2 ひ 2 〇à 4 Ag 0 + 4 ひ + + 〇 2 + 4 いいえ 3 - (完全なイオン方程式)
4 AgNO 3 + 2 ひ 2 〇à 4 Ag 0 + 4 HNO 3 + 〇 2 (分子方程式)
例 7 塩酸溶液の電気分解塩酸.
カソード (-)<-- ひ + + Cl - à 陽極 (+)
カソード (-) 2ひ + + 2 eà ひ 2
陽極 (+) 2Cl - – 2 eà Cl 2
2 ひ + + 2 Cl - à ひ 2 + Cl 2 (イオン方程式)
2 塩酸à ひ 2 + Cl 2 (分子方程式)
例 8 硫酸溶液の電気分解ひ 2 それで 4 .
陰極 (-) <-- 2H + + SO 4 2- à アノード (+)
カソード (-)2H++2eà H2
アノード(+) 2H 2 O - 4eà O2+4H+
2H++2eà H 2 2
2H2O-4eà O 2 + 4H+1
4H+ + 2H2Oà 2H 2 + 4H+ + O 2
2H2Oà 2H2+O2
例 9. 水酸化カリウム溶液の電気分解こう.
カソード (-)<-- K + + おー - à 陽極 (+)
カリウムはアルミニウムの左側の金属の電圧列にあるため、カリウム陽イオンはカソードで還元されず、代わりに水分子が還元されます。
2H2O + 2eà H 2 + 2OH - 4OH - -4eà 2H 2 O + O 2
陰極(-)2H2O+2eà H 2 + 2OH - 2
アノード(+) 4OH - - 4eà 2H 2 O + O 2 1
4H 2 O + 4OH -à 2H 2 + 4OH - + 2H 2 O + O 2
2 ひ 2 〇à 2 ひ 2 + 〇 2
例 10 硝酸カリウム溶液の電気分解ノ 3 .
陰極 (-) <-- K + + NO 3 - à アノード (+)
2H2O + 2eà H 2 + 2OH - 2H 2 O - 4eà O2+4H+
陰極(-)2H2O+2eà H 2 + 2OH-2
アノード(+) 2H 2 O - 4eà O 2 + 4H+1
4H2O + 2H2Oà 2H2+4OH-+4H++ O2
2H2Oà 2H2+O2
酸素含有酸、アルカリ、およびアルミニウムの左側にある金属の電圧系列にある金属との酸素含有酸の塩の溶液に電流が流れると、水の電気分解が実際に起こります。 この場合、水素はカソードで放出され、酸素はアノードで放出されます。
結論。 電解質の水溶液の電気分解の生成物を決定するとき、最も単純なケースでは、次の考慮事項によって導くことができます。
1. 標準電位の代数値が小さい金属イオン - からリー + 前アル 3+ 包括的 - 電子を再結合する傾向が非常に弱く、この点でイオンに屈するひ + （cm。 カチオン活性シリーズ）。 これらの陽イオンを含む化合物の水溶液の電気分解では、陰極の酸化剤の機能はイオンによって実行されます。ひ + 、スキームに従って復元中：
2 ひ 2 〇+ 2 eà ひ 2 + 2OH -
2.標準電位の正の値を持つ金属カチオン（銅 2+ , Ag + , hg 2+ など) は、イオンよりも電子を結合する傾向が大きくなります。 それらの塩の水溶液の電気分解中に、これらの陽イオンはカソードで酸化剤の機能を発揮しますが、スキームに従って金属に還元されます。たとえば、
銅 2+ +2 eà 銅 0
3. 金属塩の水溶液の電解中亜鉛, フェ, CD, ニおよびその他は、一連の電圧でリストされたグループの中間の位置を占め、カソードでの還元プロセスは両方のスキームに従って発生します。 これらの場合、放出された金属の質量は流れる電流の量に対応せず、その一部は水素の形成に費やされます。
4.電解質の水溶液では、単原子陰イオン（Cl - , Br - , J - )、酸素含有陰イオン (いいえ 3 - , それで 4 2- , PO 4 3- など）、および水のヒドロキシルイオン。 これらのうち、ハロゲン化物イオンはより強い還元特性を持っています。ふ. イオンおーそれらと多原子陰イオンの間の中間の位置を占めます。 したがって、水溶液の電気分解中に塩酸, HBr, HJまたはアノード上のそれらの塩、ハロゲン化物イオンはスキームに従って酸化されます。
2 バツ - -2 eà バツ 2 0
硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩などの水溶液の電気分解中 還元剤の機能は、スキームに従って酸化されている間、イオンによって実行されます。
4 ホー – 4 eà 2 ひ 2 〇 + 〇 2 + 4 ひ +
.
タスク。
W a dacha 1. 硫酸銅溶液の電気分解中に、48 g の銅がカソードで放出されました。 陽極で放出されたガスの体積と、溶液中に形成された硫酸の質量を求めます。
溶液中の硫酸銅はどちらのイオンも解離しませんC 2+ およびS0 4 2 ".
CuS0 4 \u003d Cu 2+ + S0 4 2 "
カソードとアノードで発生するプロセスの方程式を書き留めましょう。 Cu カチオンはカソードで還元され、水の電気分解はアノードで発生します。
Cu 2+ + 2e- \u003d Cu12
2H 2 0-4e- = 4H + + 0 2 |1
一般的な電気分解式:
2Cu2+ + 2H2O = 2Cu + 4H+ + O2 (短いイオン式)
硫酸銅の解離中に形成される式 2 の硫酸イオンをそれぞれ両辺に追加すると、完全なイオン式が得られます。
2Cu2+ + 2SO42" + 2H2O = 2Cu + 4H+ + 2SO4 2" + O2
2CuSO4 + 2H2O = 2Cu + 2H2SO4 + O2
アノードで放出されるガスは酸素です。 硫酸が溶液中に形成される。
銅のモル質量は64 g / molで、銅物質の量を計算します。
反応式によると、陽極から2モルの銅が放出されると、1モルの酸素が放出されます。 0.75 mol の銅が陰極で放出され、x mol の酸素が陽極で放出されたとします。 比率を作りましょう：
2/1=0.75/x, x=0.75*1/2=0.375mol
0.375 モルの酸素がアノードで放出され、
v(O2) = 0.375 モル。
放出された酸素の量を計算します。
V(O2) \u003d v (O2) "VM \u003d 0.375 mol" 22.4 l / mol \u003d 8.4 l
反応式によると、2 mol の銅が陰極で放出されると、溶液中に 2 mol の硫酸が生成されます。つまり、0.75 mol の銅が陰極で放出されると、0.75 mol の硫酸が生成されます。溶液中、v (H2SO4) = 0.75 mol 。 硫酸のモル質量を計算します。
M(H2SO4) = 2-1+32+16-4 = 98 g/モル。
硫酸の質量を計算します。
m (H2S04) \u003d v (H2S04> M (H2S04) \u003d \u003d 0.75 mol \u003d 98 g / mol \u003d 73.5 g.
答え： 8.4 リットルの酸素がアノードで放出されました。 ７３．５ｇの硫酸が溶液中に形成された
タスク 2. 111.75 g の塩化カリウムを含む水溶液の電気分解中にカソードとアノードで放出されるガスの量を見つけます。 溶液中で生成される物質は何ですか? その質量を見つけます。
溶液中の塩化カリウムは、K+ イオンと Cl イオンに解離します。
2KS1 \u003d K + + Cl
陰極ではカリウムイオンは還元されず、代わりに水分子が還元されます。 塩化物イオンはアノードで酸化され、塩素が放出されます。
2H2O + 2e "= H2 + 20H-|1
2SG-2e "= C12|1
一般的な電気分解式:
2CHl + 2H2O \u003d H2 + 2OH "+ C12 (短いイオン式) 溶液には、塩化カリウムの解離中に形成され、反応に関与していない K + イオンも含まれています。
2K+ + 2Cl + 2H2O = H2 + 2K+ + 2OH" + C12
式を分子形式で書き直してみましょう。
2KS1 + 2H2O = H2 + C12 + 2KOH
水素はカソードで放出され、塩素はアノードで放出され、水酸化カリウムが溶液中に形成されます。
この溶液は、塩化カリウム１１１．７５ｇを含んでいた。
塩化カリウムのモル質量を計算します。
M(KC1) = 39+35.5 = 74.5 g/モル
塩化カリウム物質の量を計算します。
反応式によると、2モルの塩化カリウムを電気分解すると1モルの塩素が放出されます。 1.5 mol の塩化カリウムを電気分解すると x mol の塩素が放出されます。 比率を作りましょう：
2/1=1.5/x、x=1.5/2=0.75モル
0.75モルの塩素が放出されます.v（C！2）\u003d 0.75モル。 反応式によると、陽極で1molの塩素が放出されると、陰極で1molの水素が放出されます。 したがって、0.75 mol の塩素がアノードで放出される場合、0.75 mol の水素がカソードで放出されます。v(H2) = 0.75 mol.
陽極で放出される塩素の量を計算しましょう。
V (C12) \u003d v (Cl2) -VM \u003d 0.75 mol \u003d 22.4 l / mol \u003d 16.8 l.
水素の体積は塩素の体積に等しい：
Y（H2）\u003d Y（C12）\u003d 16.8 l。
反応式によると、2モルの塩化カリウムの電気分解中に2モルの水酸化カリウムが形成されます。これは、0.75モルの塩化カリウムの電気分解中に0.75モルの水酸化カリウムが形成されることを意味します。 水酸化カリウムのモル質量を計算します。
M（KOH）\u003d 39 + 16 + 1 - 56 g /モル。
水酸化カリウムの質量を計算します。
m（KOH）\u003d v（KOH> M（KOH）\u003d 0.75 mol-56 g / mol \u003d 42 g。
答え：１６．８リットルの水素がカソードで放出され、１６．８リットルの塩素がアノードで放出され、４２ｇの水酸化カリウムが溶液中に形成された。
タスク 3. 陽極での 19 g の二価金属塩化物の溶液の電気分解中に、8.96 リットルの塩素が放出されました。 どの金属塩化物が電気分解を受けたかを決定します。 カソードで放出される水素の量を計算します。
未知の金属Mを示し、その塩化物の式はMC12です。 アノードでは、塩化物イオンが酸化され、塩素が放出されます。 条件は、水素がカソードで放出されることを示しているため、水分子が還元されます。
2H2O + 2e- = H2 + 2OH|1
2Cl -2e "= C12! 1
一般的な電気分解式:
2Cl + 2H2O \u003d H2 + 2OH "+ C12 (短いイオン式)
この溶液には、反応中に変化しない M2+ イオンも含まれています。 完全なイオン反応式を書きます。
2SG + M2+ + 2H2O = H2 + M2+ + 2OH- + C12
反応式を分子形式で書き直してみましょう。
MS12 + 2H2O - H2 + M(OH)2 + C12
アノードで放出された塩素の量を見つけます。
反応式によると、1 mol の未知の金属の塩化物を電気分解すると、1 mol の塩素が放出されます。 ０．４モルの塩素が放出された場合、０．４モルの金属塩化物が電気分解にかけられた。 金属塩化物のモル質量を計算します。
未知の金属の塩化物のモル質量は 95 g/mol です。 2 つの塩素原子あたり 35.5"2 = 71 g/mol です。 したがって、金属のモル質量は 95-71 = 24 g/mol です。 マグネシウムはこのモル質量に相当します。
反応式によると、アノードで放出される塩素 1 モルに対して、カソードで放出される水素 1 モルがあります。 この場合、0.4 mol の塩素が陽極で放出されました。つまり、0.4 mol の水素が陰極で放出されたことになります。 水素の体積を計算します。
V (H2) \u003d v (H2> VM \u003d 0.4 mol \u003d 22.4 l / mol \u003d 8.96 l.
答え：塩化マグネシウムの電解液にかけた。 8.96 リットルの水素がカソードで放出されました。
*問題 4. 濃度 15% の硫酸カリウム溶液 200 g の電気分解中に、陽極で 14.56 リットルの酸素が放出されました。 電解終了時の溶液の濃度を計算します。
硫酸カリウム溶液では、水分子が陰極と陽極の両方で反応します。
2H20 + 2e "= H2 + 20H-|2
2H2O - 4e "= 4H+ + O2! 1
両方の式をまとめてみましょう。
6H2O \u003d 2H2 + 4OH "+ 4H + + O2、または
6H2O \u003d 2H2 + 4H2O + O2、または
2H2O = 2H2 + 02
実際、硫酸カリウム溶液の電気分解中に、水の電気分解が起こります。
溶液中の溶質の濃度は、次の式で決まります。
C=m(溶質) 100% / m(溶液)
電解終了時の硫酸カリウム溶液の濃度を求めるには、硫酸カリウムの質量と溶液の質量を知る必要があります。 硫酸カリウムの質量は、反応中に変化しません。 初期溶液中の硫酸カリウムの質量を計算します。 初期溶液の濃度を C としましょう。
m(K2S04) = C2 (K2S04) m(溶液) = 0.15 200 g = 30 g.
水の一部が水素と酸素に変換されるため、電解中に溶液の質量が変化します。 放出された酸素の量を計算します。
(O 2) \u003d V (O2) / Vm \u003d 14.56 l / 22.4 l / mol \u003d 0.65 mol
反応式によると、2モルの水から1モルの酸素が生成されます。 x mol の水の分解中に 0.65 mol の酸素が放出されるとします。 比率を作りましょう：
1.3 mol の水が分解され、v(H2O) = 1.3 mol.
水のモル質量を計算します。
M（H2O）\u003d 1-2 + 16 \u003d 18 g /モル。
分解された水の質量を計算します。
m(H2O) \u003d v (H2O> M (H2O) \u003d 1.3 mol * 18 g / mol \u003d 23.4 g.
硫酸カリウム溶液の質量は 23.4 g 減少し、200-23.4 = 176.6 g となりました.電解終了時の硫酸カリウム溶液の濃度を計算してみましょう:
С2 (K2 SO4)=m(K2 SO4) 100% / m(溶液)=30g 100% / 176.6g=17%
答え：電解終了時の溶液の濃度は 17% です。
* 3 問題 5. 塩化ナトリウムと塩化カリウムの混合物 188.3 g を水に溶かし、得られた溶液に電流を流した。 電気分解中、33.6 リットルの水素がカソードで放出されました。 混合物の組成を重量パーセントで計算します。
塩化カリウムと塩化ナトリウムの混合物を水に溶解すると、溶液には K+、Na+、Cl- イオンが含まれます。 陰極ではカリウムイオンもナトリウムイオンも還元されず、水分子が還元されます。 塩化物イオンはアノードで酸化され、塩素が放出されます。
方程式を分子形式で書き直してみましょう。
2KS1 + 2H20 = H2 + C12 + 2KOH
2NaCl + 2H2O = H2 + C12 + 2NaOH
混合物に含まれる塩化カリウム物質の量を x mol、塩化ナトリウム物質の量を y mol とします。 反応式によると、2モルの塩化ナトリウムまたは塩化カリウムの電気分解中に、1モルの水素が放出されます。 したがって、塩化カリウムx molの電気分解中、x / 2または0.5x molの水素が形成され、電気分解中、y molの塩化ナトリウムは0.5y molの水素になります。 量を求めよう 水素物質、混合物の電気分解中に放出される：
式を作りましょう: 0.5x + 0.5y \u003d 1.5
塩化カリウムと塩化ナトリウムのモル質量を計算します。
M(KC1) = 39+35.5 = 74.5 g/モル
M（NaCl）\u003d 23 + 35.5 \u003d 58.5 g /モル
塩化カリウムの質量 x モルは次のとおりです。
m（KCl）\u003d v（KCl）-M（KCl）\u003d x mol-74.5 g / mol \u003d 74.5 x g。
塩化ナトリウム 1 モルの質量は次のとおりです。
m（KCl）\u003d v（KCl）-M（KCl）\u003d y mol-74.5 g / mol \u003d 58.5 u g。
混合物の質量は 188.3 g で、2 番目の方程式を作成します。
74.5x + 58.5y = 188.3
したがって、2 つの未知数を持つ 2 つの連立方程式を解きます。
0.5(x + y)= 1.5
74.5x + 58.5y = 188.3g
最初の式から、x を次のように表します。
x + y \u003d 1.5 / 0.5 \u003d 3、
x = 3-y
この x の値を 2 番目の式に代入すると、次のようになります。
74.5-(3 年) + 58.5 年 = 188.3
223.5-74.5y + 58.5y = 188.3
-16y = -35.2
y \u003d 2.2 100% / 188.3g \u003d 31.65%
コンピューティング 質量分率塩化ナトリウム：
w(NaCl) = 100% - w(KCl) = 68.35%
答え：この混合物には、31.65% の塩化カリウムと 68.35% の塩化ナトリウムが含まれています。
化学の問題を解決する
ファラデーの法則を知っている
高校
作者の展開
多種多様な化学問題の中で、学校での教育の実践が示すように、最大の困難は問題によって引き起こされ、その解決には確かな化学知識に加えて、材料の優れた使いこなしが必要です.物理コースの。 また、すべての中等学校が、化学と物理の 2 つのコースの知識を使用して少なくとも最も単純な問題を解くことに注意を払っているわけではありませんが、化学が主要な分野である大学の入学試験で、このタイプの問題が見つかることがあります。 したがって、教室でこの種の問題を分析しなければ、教師は意図せずに化学専門の大学に入学する機会を生徒から奪う可能性があります。
この著者の開発には、トピック「電気分解」に何らかの形で関連する 20 以上のタスクが含まれています。 このタイプの問題を解決するには、トピック「電気分解」について十分な知識があるだけでなく、 学校のコース化学だけでなく、学校の物理コースで勉強するファラデーの法則を知ること。
おそらく、このタスクの選択は、クラス内のすべての生徒にとってまったく興味がないか、全員が利用できるものではありません。 それにもかかわらず、このタイプのタスクは、サークルまたはオプションのクラスで興味のある学生のグループで分析することをお勧めします。 このタイプのタスクは複雑であり、少なくとも学校の化学コースでは一般的ではないことは確実に指摘できます (平均について話しています)。 一般教育学校)、したがって、このタイプの問題は、10 年生または 11 年生向けの学校または地域の化学オリンピックのバリエーションに安全に含めることができます。
各問題に対する詳細な解決策があると、開発は、特に初心者の教師にとって価値のあるツールになります。 オプションのレッスンまたはサークルレッスンで生徒と一緒にいくつかのタスクを分析した後、創造的な教師は自宅で同じタイプのタスクをいくつか設定し、宿題をチェックする過程でこの開発を使用するため、教師の貴重な時間を大幅に節約できます。
問題に関する理論的情報
化学反応、電解質の溶液または溶融物に置かれた電極に電流が作用して流れることを電気分解と呼びます。 例を考えてみましょう。
約700°Cの温度のガラスには塩化ナトリウムNaClの溶融物があり、電極がそれに浸されています。 電流を流す前は Na + イオンと Cl - イオンがランダムに動きますが、電流を流すとこれらの粒子の動きが規則正しくなり、Na + イオンは負に帯電した電極に突入し、Cl - イオンは- 正に帯電した電極へ。
そして彼電荷を持つ荷電原子または原子団。
陽イオンプラスに帯電したイオンです。
アニオンマイナスに帯電したイオンです。
陰極- 負に帯電した電極 (正に帯電したイオン - 陽イオン) がそれに向かって移動します。
アノード- 正に帯電した電極 (負に帯電したイオン - 陰イオン) がそれに向かって移動します。
白金電極上での塩化ナトリウム溶融物の電気分解
総反応:
炭素電極上での塩化ナトリウム水溶液の電気分解
総反応:
または分子の形で：
炭素電極上での塩化銅(II)水溶液の電気分解
総反応:
で 電気化学シリーズ金属の活性は、銅が水素の右側にあるため、銅は陰極で還元され、塩素は陽極で酸化されます。
白金電極上での硫酸ナトリウム水溶液の電気分解
総反応:
同様に、硝酸カリウムの水溶液の電気分解が起こります (白金電極)。
黒鉛電極上での硫酸亜鉛水溶液の電気分解
総反応:
白金電極上での硝酸鉄(III)水溶液の電気分解
総反応:
白金電極上での硝酸銀水溶液の電気分解
総反応:
白金電極上での硫酸アルミニウム水溶液の電気分解
総反応:
銅電極上での硫酸銅水溶液の電気分解 - 電気化学的精製
溶液中のCuSO 4 の濃度は一定のままであり、プロセスはアノード材料のカソードへの移動に還元される。 これが電気化学的精製（純粋な金属を得ること）の本質です。
特定の塩の電気分解のスキームを作成するときは、次のことを覚えておく必要があります。
– 水素よりも高い標準電極電位 (SEP) を有する金属カチオン (銅から金までを含む) は、電気分解中にカソードでほぼ完全に還元されます。
– SEP値が小さい金属カチオン（リチウムからアルミニウムまで）はカソードで還元されませんが、代わりに水分子が水素に還元されます。
– SEC 値が水素の値よりも小さいが、アルミニウムの値よりも大きい金属カチオン (アルミニウムから水素へ) は、カソードでの電気分解中に水と同時に還元されます。
- 水溶液に、Ag +、Cu 2+、Fe 2+ などのさまざまな金属の陽イオンの混合物が含まれている場合、この混合物で最初に銀が還元され、次に銅、最後に鉄が還元されます。
- 電気分解中の不溶性陽極では、陰イオンまたは水分子が酸化され、陰イオン S 2–、I –、Br – 、Cl – は容易に酸化されます。
– 溶液に酸素含有酸の陰イオンが含まれている場合、水分子は陽極で酸素に酸化されます。
- アノードが可溶性の場合、電解中にそれ自体が酸化されます。つまり、電子が外部回路に送られます。電子が放出されると、電極と溶液の間のバランスが変化し、アノードが溶解します。
一連の電極プロセス全体から、一般式に対応するものだけを選び出す場合
M ぜ+ + ぜ=M、
それから私たちは得る 金属応力範囲. 水素も常にこの行に配置されます。これにより、どの金属が酸の水溶液から水素を置換でき、どの金属が置換できないかを確認できます (表)。
テーブル
さまざまな応力金属
| 方程式 電極 処理する |
標準 電極 での可能性 25°С、V |
方程式 電極 処理する |
標準 電極 潜在的な 25 °C、V |
|---|---|---|---|
| 李 + + 1 e= Li0 | –3,045 | Co2+ + 2 e= Co0 | –0,277 |
| Rb + + 1 e= Rb0 | –2,925 | ニ 2+ + 2 e= Ni0 | –0,250 |
| K++1 e= K0 | –2,925 | スン 2+ + 2 e= Sn0 | –0,136 |
| C + + 1 e= Cs 0 | –2,923 | 鉛 2+ + 2 e= 鉛 0 | –0,126 |
| カルシウム 2+ + 2 e= Ca0 | –2,866 | 鉄 3+ + 3 e= Fe0 | –0,036 |
| ナ + + 1 e= Na 0 | –2,714 | 2H++2 e=H2 | 0 |
| マグネシウム 2+ + 2 e=Mg0 | –2,363 | バイ 3+ + 3 e= Bi0 | 0,215 |
| アル 3+ + 3 e=Al0 | –1,662 | Cu 2+ + 2 e= Cu 0 | 0,337 |
| チタン 2+ + 2 e= Ti0 | –1,628 | キュ + +1 e= Cu 0 | 0,521 |
| Mn 2+ + 2 e=Mn0 | –1,180 | 水銀 2 2+ + 2 e= 2Hg0 | 0,788 |
| クロム 2+ + 2 e=Cr0 | –0,913 | 銀 + + 1 e= Ag0 | 0,799 |
| 亜鉛 2+ + 2 e= Zn0 | –0,763 | 水銀 2+ + 2 e= Hg0 | 0,854 |
| クロム 3+ + 3 e=Cr0 | –0,744 | ポイント 2+ + 2 e= Pt0 | 1,2 |
| 鉄 2+ + 2 e= Fe0 | –0,440 | 金 3+ + 3 e= 金 0 | 1,498 |
| CD 2+ + 2 e=CD0 | –0,403 | 金++1 e= 金 0 | 1,691 |
より単純な形式では、一連の金属応力は次のように表すことができます。
ほとんどの電気分解の問題を解決するには、ファラデーの法則の知識が必要です。ファラデーの法則の式は次のとおりです。
メートル = M 私 t/(ぜ ふ),
どこ メートルは電極上に放出された物質の質量であり、 ふ- ファラデー数、96 485 A s / mol、または 26.8 A h / mol に等しい、 Mは、電気分解中に減少する元素のモル質量です。 t– 電気分解プロセスの時間 (秒単位), 私- 現在の強さ (アンペア), ぜプロセスに関与する電子の数です。
タスク条件
1. 硝酸ニッケル溶液を 20 A の電流で 1 時間電気分解すると、放出されるニッケルの質量は?
2. 10 時間以内に 0.005 kg の純金属を得るために、硝酸銀溶液の電気分解プロセスを実行するには、どのくらいの電流強度が必要ですか?
3. 50 A の電流で 2 時間、塩化銅 (II) 溶融物を電気分解すると、どのくらいの量の銅が放出されますか?
4. 3.5gの亜鉛を得るために、120Aの電流で硫酸亜鉛の水溶液を電気分解するのにかかる時間は?
5. 硫酸鉄(III)溶液を200Aの電流で2時間電気分解すると、どのくらいの量の鉄が放出されますか?
6. 15 時間以内に 200 g の純金属を得るために、硝酸銅 (II) 溶液の電気分解プロセスを実行するには、どのくらいの電流強度が必要ですか?
7. 20 g の純鉄を得るために、30 A の電流で塩化鉄 (II) の溶融物を電気分解するプロセスを実行するのに、どのくらいの時間が必要ですか?
8. 1.5 時間以内に 0.5 kg の純金属を得るために、硝酸水銀 (II) 溶液の電気分解プロセスを実行するには、どのくらいの電流強度が必要ですか?
9. 1.5 時間以内に 100 g の純粋な金属を得るために、塩化ナトリウム溶融物の電気分解プロセスを実行するには、どのくらいの電流強度が必要ですか?
10. 塩化カリウム溶融物を５Ａの電流で２時間電気分解した。得られた金属は２ｋｇの水と反応した。 この場合、どの濃度のアルカリ溶液が得られましたか?
11.
硫酸鉄 (III) 溶液を電流強度で 0.5 時間電気分解して得られる鉄と完全に相互作用するには、30% 塩酸溶液が何グラム必要か
10A?
12. 15 A の電流で 245 分間行われた塩化アルミニウムの溶融物の電気分解のプロセスで、純粋なアルミニウムが得られました。 与えられた質量のアルミニウムが酸化鉄(III)と相互作用するとき、アルミニウム熱法によって何グラムの鉄を得ることができますか?
13. 硫酸アルミニウム溶液を25 Aの電流で300分間電気分解して得られたアルミニウムと反応させるには、密度1.111 g / mlのKOHの12％溶液を何ミリリットル必要としますか（テトラヒドロキシアルミン酸カリウムの形成を伴う） ?
14. 硫酸亜鉛溶液を 55 A の電流で 100 分間電気分解して得られた亜鉛と相互作用するには、密度 1.139 g/ml の 20% 硫酸溶液が何ミリリットル必要ですか?
15. 硫酸クロム (III) の溶液を 75 A の電流で 100 分間電気分解して得られたクロムと過剰の熱濃硝酸を反応させると、どのような体積の一酸化窒素 (IV) (n.o.) が得られますか?
16. 過剰の硝酸溶液が、10.5 A の電流強度で 50 分間、塩化銅 (II) 溶融物の電気分解によって得られた銅と反応すると、どのような体積の一酸化窒素 (II) (n.o.) が得られますか?
17. 30％塩酸溶液100gと完全に相互作用するのに必要な鉄を得るために、30Aの電流で塩化鉄（II）の溶融物の電気分解を行うには、どのくらいの時間が必要ですか?
18. 硝酸ニッケル溶液を 15 A の電流で電気分解すると、加熱したときに 35% 硫酸溶液 200 g と完全に相互作用するのに必要なニッケルを得るには、どのくらいの時間が必要ですか?
19. 塩化ナトリウム溶融物を２０Ａの電流で３０分間電気分解し、塩化カリウム溶融物を１８Ａの電流で８０分間電気分解した。両方の金属を１ｋｇの水に溶解した。 得られた溶液中のアルカリの濃度を見つけます。
20.
塩化マグネシウム溶融物を電流強度で200分間電気分解して得られるマグネシウム
１．１７８ｇ／ｍｌの密度の２５％硫酸溶液１．５リットルに溶解した１０Ａ。 得られた溶液中の硫酸マグネシウムの濃度を求めます。
21. 硫酸亜鉛溶液を電流強度で100分間電気分解して得られる亜鉛
１７Ａを、密度１．０６６ｇ／ｍｌの１０％硫酸溶液１リットルに溶解した。 得られた溶液中の硫酸亜鉛の濃度を求めます。
22. 塩化鉄(III)の溶融物を11Aの電流で70分間電気分解して得られた鉄を粉末にし、18%硫酸銅(II)溶液300gに浸漬した。 析出した銅の質量を求めよ。
23.
塩化マグネシウム溶融物を電流強度で90分間電気分解して得られるマグネシウム
１７Ａを過剰の塩酸に浸漬した。 放出された水素の量と量 (n.o.s.) を求めます。
24. 硫酸アルミニウムの溶液を 20 A の電流で 1 時間電気分解しました。得られたアルミニウムと完全に相互作用するには、15% の塩酸溶液が何グラム必要ですか?
25. 22 A の電流で 35 分間、塩化マグネシウム溶融物を電気分解して得られるマグネシウムを完全燃焼させるには、何リットルの酸素と空気 (N.O.) が必要ですか?
答えと解決策については、次の番号を参照してください
これは、溶液または溶融電解質に浸された電極に電流が作用すると流れます。
電極には 2 種類あります。
アノード 酸化.
陰極は電極です。 回復. 陰イオンは、正電荷を持っているため、陽極に向かう傾向があります。 陽イオンは陰極に向かう傾向があります。これは、陰極が負に帯電しており、物理法則に従って反対の電荷が引き寄せられるためです。 どの電気化学プロセスでも、両方の電極が存在します。 電気分解を行う装置を電解槽といいます。 米。 1。
電気分解の定量的特性は、次の 2 つのファラデーの法則によって表されます。
1) 電極上に放出された物質の質量は、電解質を通過した電気量に正比例します。
2) さまざまな化合物の電気分解中に、同じ量の電気が、電気化学的当量に比例して電極上に大量の物質を放出します。
これらの 2 つの法則は、1 つの方程式に組み合わせることができます。
どこ メートル放出された物質の質量、g;
n電極プロセスで転送される電子の数です。
ふはファラデー数 ( ふ=96485 C/モル)
私– 現在の強さ、A;
t– 時間、s;
Mは、放出された物質のモル質量、g/mol です。
電気分解あり 水溶液電極プロセスは、イオンの競合により複雑になります (水分子も電気分解に関与する可能性があります)。 カソードでの回復は、一連の標準電極電位における金属の位置によるものです。
標準電極電位が水素よりも大きい (Cu2+ から Au3+ へ) 金属カチオンは、電気分解中にカソードでほぼ完全に還元されます。 Me n+ + nē →Me 標準電極電位の低い金属陽イオン (Li2+ から Al3+ まで) はカソードで還元されませんが、代わりに水分子が還元されます。 2H2O + 2ē → H2 + 2OH- 水素の標準電極電位よりも小さいが、アルミニウムの標準電極電位よりも大きい (Mn2+ から H への) 金属カチオンは、陰極での電気分解中に水分子と同時に還元されます。 Me n+ + nē → Me 2H2O + 2ē → H2 + 2OH- 溶液中にいくつかの陽イオンが存在する場合、最も活性の低い金属の陽イオンがまず陰極で還元されます。
硫酸ナトリウム（Na2SO4）の例
Na2SO4↔ 2Na++ SO42-
カソード: 2H2O + 2e → H2 + 2OH-
アノード: 2H2O - 4e → O2 + 4H+
4OH-- 4H+→ 4H2O
電気分解による 溶ける多くの反応性金属が得られます。 硫酸ナトリウム溶融物の解離中に、ナトリウムイオンと硫酸イオンが形成されます。
Na2SO4 → 2Na+ + SO42−
- カソードでナトリウムが放出される:
Na+ + 1e− → Na
– 陽極で酸素と硫黄酸化物 (VI) が放出されます。
2SO42− − 4 e− → 2SO3 + О2
- 反応の全イオン方程式 (陰極プロセスの方程式に 4 を掛けたもの)
4 Na+ + 2SO42− → 4 Na 0 + 2SO3 + O2
- 総反応:
4 Na2SO44 Na 0 + 2SO3 + O2
溶融塩の電気分解
水と容易に相互作用する非常に活性な金属（ナトリウム、アルミニウム、マグネシウム、カルシウムなど）を得るために、溶融塩または酸化物の電気分解が使用されます。
1. 塩化銅 (II) 溶融物の電気分解。
電極プロセスは、半反応として表現できます。
陰極で K(-): Сu 2+ + 2e = Cu 0 - 陰極還元
アノードA（+）：2Cl - - 2e \u003d Cl 2 - 陽極酸化
物質の電気化学的分解の全体的な反応は、2 つの電極半反応の合計であり、塩化銅の場合、次の式で表されます。
Cu 2+ + 2 Cl - \u003d Cu + Cl 2
アルカリおよびオキソ酸の塩の電気分解中に、陽極で酸素が放出されます。
4OH - - 4e \u003d 2H 2 O + O 2
2SO 4 2– - 4e \u003d 2SO 3 + O 2
2.塩化カリウム溶融電解：
溶液電解
電極に電流を流すと、電解質溶液中の電極で起こる酸化還元反応や溶融する酸化還元反応の組み合わせを電気分解と呼びます。
電流源の陰極「-」では、電子を溶液または溶融物から陽イオンに移動するプロセスが発生するため、陰極は「還元剤」です。
「＋」の陽極では陰イオンから電子が放出されるので、陽極は「酸化剤」です。
電気分解中、競合するプロセスが陽極と陰極の両方で発生する可能性があります。
不活性な（非消耗性の）陽極（グラファイトやプラチナなど）を使用して電気分解を行う場合、原則として、2 つの酸化プロセスと 2 つの還元プロセスが競合します。
陽極で - 陰イオンと水酸化物イオンの酸化、
陰極で - 陽イオンと水素イオンの還元。
活性（消耗）陽極を使用して電気分解を行う場合、プロセスはより複雑になり、電極上で競合する反応は次のようになります。
陽極で - 陰イオンと水酸化物イオンの酸化、金属の陽極溶解 - 陽極の材料;
カソードで - 塩カチオンと水素イオンの還元、アノードを溶解することによって得られる金属カチオンの還元。
アノードとカソードで最も可能性の高いプロセスを選択するときは、必要なエネルギー消費が最も少ない反応が進行するという立場から進む必要があります。 さらに、不活性電極を使用した塩溶液の電気分解中に陽極と陰極で最も可能性の高いプロセスを選択するには、次の規則が使用されます。
1. 次の生成物がアノードで形成される場合があります。
a）陰イオンSO 4 2-、NO - 3、PO 4 3-を含む溶液、および陽極上のアルカリ溶液の電気分解中に、水が酸化され、酸素が放出されます。
A + 2H 2 O - 4e - \u003d 4H + + O 2
b) 陰イオンの酸化中 Cl - 、Br - 、I - 塩素、臭素、ヨウ素がそれぞれ放出される。
A + Cl - + e - \u003d Cl 0
2. 次の生成物がカソード上に形成される可能性があります。
a) Al 3+ の左側の一連の電圧に位置するイオンを含む塩溶液の電気分解中に、カソードで水が還元され、水素が放出されます。
K - 2H 2 O + 2e - \u003d H 2 + 2OH -
b) 金属イオンが水素の右側の電圧列にある場合、金属は陰極で放出されます。
K - Me n + + ne - \u003d Me 0
ｃ）Ａｌ ＋ とＨ ＋ との間の一連の電圧に位置するイオンを含む塩溶液の電気分解中に、カチオン還元と水素発生の両方の競合プロセスが陰極で起こり得る。
例: 不活性電極上での硝酸銀水溶液の電気分解
硝酸銀の解離：
AgNO 3 \u003d Ag + + NO 3 -
AgNO 3 水溶液の電気分解中、Ag + イオンは陰極で還元され、水分子は陽極で酸化されます。
カソード: Ag + + e = A g
アノード：2H 2 O - 4e \u003d 4H + + O 2
要約式:______________________________________________
4AgNO 3 + 2H 2 O \u003d 4Ag + 4HNO 3 + O 2
水溶液の電気分解のスキームを作成します。a) 硫酸銅。 b) 塩化マグネシウム; c) 硫酸カリウム。
いずれの場合も、電気分解は炭素電極を使用して行われます。
例：不活性電極上での塩化銅水溶液の電気分解
塩化銅の解離：
CuCl 2 ↔ Сu 2+ + 2Cl -
溶液にはCu 2+および2Cl - イオンが含まれており、電流の作用下で対応する電極に向けられます。
カソード - Cu 2+ + 2e = Cu 0
アノード + 2Cl - - 2e = Cl 2
_______________________________
CuCl 2 \u003d Cu + Cl 2
陰極では金属銅が放出され、陽極では塩素ガスが放出されます。
考えられる CuCl 2 溶液の電気分解の例で、銅板をアノードとして使用すると、Cl 0 イオンを放出して塩素を放出する代わりに、酸化プロセスが発生するカソードとアノードで銅が放出されます。 、陽極（銅）が酸化します。
この場合、アノード自体が溶解し、Cu 2+ イオンの形で溶解します。
可溶性陽極を使用した CuCl 2 の電気分解は、次のように記述できます。
可溶性陽極による塩溶液の電気分解は、陽極材料の酸化（その溶解）に還元され、陽極から陰極への金属の移動を伴います。 この特性は、金属の汚染からの精製 (純化) に広く使用されています。
例：不活性電極上での塩化マグネシウム水溶液の電気分解
水溶液中の塩化マグネシウムの解離:
MgCl 2 ↔ Mg 2+ + 2Cl -
マグネシウムイオンは水溶液中で還元できず（水は還元されています）、塩化物イオンは酸化されます。
電解スキーム:
例：不活性電極上での硫酸銅水溶液の電気分解
溶液中で、硫酸銅はイオンに解離します。
CuSO 4 \u003d Cu 2+ + SO 4 2-
銅イオンは、水溶液中のカソードで還元できます。
水溶液中の硫酸イオンは酸化されないため、水は陽極で酸化されます。
電解スキーム:
不活性電極上での活性金属塩と酸素含有酸 (K 2 SO 4) の水溶液の電気分解
例: 水溶液中の硫酸カリウムの解離:
K 2 SO 4 \u003d 2K + + SO 4 2-
カリウムイオンと硫酸イオンは、水溶液中の電極では放出できないため、陰極では還元が起こり、陽極では水が酸化されます。
電解スキーム:
または、4H + + 4OH - \u003d 4H 2 O（攪拌しながら実行）を考えると、
H 2 O 2H 2 + O 2
活性金属塩と酸素含有酸の水溶液に電流を流すと、金属カチオンも酸残基のイオンも放出されない。
水素は陰極で放出され、酸素は陽極で放出され、電気分解は水の電気分解に還元されます。
水酸化ナトリウム融液の電気分解
水の電気分解は常に不活性電解質の存在下で行われます（非常に弱い電解質 - 水 - の電気伝導率を高めるため）：
ファラデーの法則
電流の作用下で形成される物質の量の時間、電流強度、および電解質の性質への依存性は、一般化されたファラデーの法則に基づいて確立できます。
ここで、m は電気分解中に形成される物質の質量 (g) です。
E - 物質の等価質量（g / mol）;
M は物質のモル質量 (g/mol) です。
n は、与えられた、または受け取った電子の数です。
I - 現在の強さ (A); t はプロセスの期間です。
F - 1 等価質量の物質を放出するのに必要な電気量を特徴付けるファラデー定数 (F = 96,500 C/mol = 26.8 Ah/mol)。
無機化合物の加水分解
塩イオンと水との相互作用により、弱い電解質分子が形成されることを、塩の加水分解と呼びます。
塩を酸による塩基中和の生成物と見なすと、塩は4つのグループに分けることができ、それぞれが独自の方法で加水分解を進めます。
1. 強塩基と強酸 KBr、NaCl、NaNO 3) によって形成される塩は、この場合弱い電解質が形成されないため、加水分解を受けません。 媒体の反応は中立のままです。
2. 弱塩基と強酸 FeCl 2、NH 4 Cl、Al 2 (SO 4) 3、MgSO 4) によって形成される塩では、カチオンは加水分解を受けます。
FeCl 2 + HOH → Fe(OH)Cl + HCl
Fe 2+ + 2Cl - + H + + OH - → FeOH + + 2Cl - + H +
加水分解の結果、弱い電解質、H + イオンおよびその他のイオンが形成されます。 溶液のpH< 7 (раствор приобретает кислую реакцию).
3. 強塩基と弱酸 (KClO、K 2 SiO 3 、Na 2 CO 3 、CH 3 COONa) によって形成された塩は、陰イオン加水分解を受け、弱電解質、水酸化物イオンおよびその他のイオンが形成されます。
K 2 SiO 3 + HOH → KHSiO 3 + KOH
2K + +SiO 3 2- + H + + OH - → HSiO 3 - + 2K + + OH -
そのような溶液のpHは> 7です（溶液はアルカリ反応を起こします）。
4. 弱塩基と弱酸 (CH 3 COONH 4、(NH 4) 2 CO 3、Al 2 S 3) によって形成される塩は、陽イオンと陰イオンの両方によって加水分解されます。 その結果、低解離性の塩基と酸が形成されます。 そのような塩の溶液のpHは、酸と塩基の相対的な強さに依存します。
弱酸と強塩基の塩の加水分解反応の方程式を書くためのアルゴリズム
塩の加水分解にはいくつかのオプションがあります。
1. 弱酸と強塩基の塩の加水分解: (CH 3 COONa、KCN、Na 2 CO 3)。
実施例１ 酢酸ナトリウムの加水分解。
または CH 3 COO - + Na + + H 2 O ↔ CH 3 COOH + Na + + OH -
CH 3 COO - + H 2 O ↔ CH 3 COOH + OH -
酢酸は弱く解離するため、酢酸イオンがH + イオンと結合し、ルシャトリエの原理により水の解離平衡が右にシフトします。
OH - 溶液中にイオンが蓄積する (pH > 7)
塩が多塩基酸によって形成される場合、加水分解は段階的に進行する。
例：炭酸塩の加水分解：Na 2 CO 3
ステージ I: CO 3 2– + H 2 O ↔ HCO 3 – + OH –
ステージ II: HCO 3 - + H 2 O ↔ H 2 CO 3 + OH -
Na 2 CO 3 + H 2 O \u003d NaHCO 3 + NaOH
実際に重要なのは、通常、塩の加水分解を評価するときに制限される最初の段階を通過するプロセスのみです。
第 2 段階での加水分解の平衡は、第 2 段階 (H 2 CO 3) よりも第 1 段階でより弱い電解質 (HCO 3 -) が形成されるため、第 1 段階の平衡と比較して大幅に左にシフトします。
例 2。 オルトリン酸ルビジウムの加水分解。
1. 加水分解のタイプを決定します。
Rb3PO4 ↔ 3Rb + + PO 4 3–
ルビジウムはアルカリ金属であり、その水酸化物は強塩基であり、リン酸は、特にリン酸塩の形成に対応する解離の第 3 段階では弱酸です。
陰イオン加水分解が起こります。
PO 3- 4 + H–OH ↔ HPO 2- 4 + OH – .
製品 - リン酸水素塩および水酸化物イオン、中 - アルカリ性。
3. 分子方程式を作成します。
Rb 3 PO 4 + H 2 O ↔ Rb 2 HPO 4 + RbOH。
酸性塩 - リン酸水素ルビジウムを入手しました。
強酸と弱塩基の塩の加水分解反応の方程式を書くためのアルゴリズム
2. 強酸と弱塩基の塩の加水分解: NH 4 NO 3、AlCl 3、Fe 2 (SO 4) 3。
例 1. 硝酸アンモニウムの加水分解。
NH 4 + + NO 3 - + H 2 O ↔ NH 4 OH + NO 3 - + H +
NH 4 + + H 2 O ↔ NH 4 OH + H +
多価陽イオンの場合、加水分解は次のように段階的に進行します。
ステージ I: Cu 2+ + HOH ↔ CuOH + + H +
ステージ II: CuOH + + HOH ↔ Cu(OH) 2 + H +
CuCl 2 + H 2 O \u003d CuOHCl + HCl
この場合、溶液中の水素イオンの濃度と媒体のpHも、主に加水分解の最初の段階によって決定されます。
実施例２：硫酸銅（ＩＩ）の加水分解
1. 加水分解のタイプを決定します。 この段階で、塩解離方程式を書く必要があります。
CuSO4 ↔ 銅 2+ + SO2-4。
塩は、弱塩基（下線部）の陽イオンと強酸の陰イオンによって形成されます。 加水分解は陽イオンで起こります。
2. イオン加水分解式を書き、環境を決定します。
Cu 2+ + H-OH ↔ CuOH + + H + .
ヒドロキソメパー(II)カチオンと水素イオンが形成され、媒体は酸性です。
3.分子方程式を作ります。
このような方程式の編集は、特定の正式なタスクであることを考慮に入れる必要があります。 溶液中のプラスとマイナスの粒子から、紙の上だけに存在する中性粒子を作ります。 この場合、式 (CuOH) 2 SO 4 を作成できますが、このためには、イオン方程式を頭の中で 2 倍する必要があります。
我々が得る：
2CuSO 4 + 2H 2 O ↔ (CuOH) 2 SO 4 + H 2 SO 4.
反応生成物は塩基性塩のグループに属することに注意してください。 塩基性塩の名前と中間塩の名前は、陰イオンと陽イオンの名前で構成する必要があります。この場合、塩を「ヒドロキソメジ（II）硫酸塩」と呼びます。
弱酸と弱塩基の塩の加水分解反応の方程式を書くためのアルゴリズム
3. 弱酸と弱塩基の塩の加水分解:
実施例１ 酢酸アンモニウムの加水分解。
CH 3 COO - + NH 4 + + H 2 O ↔ CH 3 COOH + NH 4 OH
この場合、わずかに解離した 2 つの化合物が形成され、溶液の pH は酸と塩基の相対的な強さに依存します。
加水分解生成物が、例えば沈殿物またはガス状物質の形態で溶液から除去できる場合、加水分解は完了に進む。
実施例２ 硫化アルミニウムの加水分解。
Al 2 S 3 + 6H 2 O \u003d 2Al (OH) 3 + 3H 2 S
2A l 3+ + 3 S 2- + 6H 2 O \u003d 2Al (OH) 3 (沈殿物) + ZH 2 S (ガス)
実施例３ 酢酸アルミニウムの加水分解
1. 加水分解のタイプを決定します。
Al(CH 3 COO) 3 = アル 3+ + 3CH 3 COO – .
塩は、弱塩基の陽イオンと弱酸の陰イオンによって形成されます。
2. イオン加水分解方程式を書き、環境を決定します。
Al 3+ + H–OH ↔ AlOH 2+ + H + 、
CH 3 COO - + H-OH ↔ CH 3 COOH + OH - .
水酸化アルミニウムが非常に弱い塩基であることを考慮すると、陽イオンでの加水分解は陰イオンでよりも大きく進行すると考えられます。 したがって、溶液中に水素イオンが過剰になり、環境は酸性になります。
ここで反応の全方程式を作ろうとしないでください。 両方の反応は可逆的であり、互いに関連することはまったくなく、そのような合計は無意味です.
3. 分子方程式を構成します。
Al（CH 3 COO）3 + H 2 O \u003d AlOH（CH 3 COO）2 + CH 3 COOH。
これは、塩とその命名法を調合するための正式な演習でもあります. 得られた塩は、ヒドロキソアルミニウムアセテートと呼ばれます。
強酸と強塩基の塩の加水分解反応の方程式を書くためのアルゴリズム
4. 強酸と強塩基によって形成される塩は、加水分解を受けません。 唯一の低解離性化合物は H 2 O です。
強酸と強塩基の塩は加水分解を受けず、溶液は中性です。