Количество вещества, выделенного при электролизе, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшему через раствор

Количество различных веществ, выделенных одним и тем же количеством электричества, прямо пропорционально их молярным массам электрохимических эквивалентов.

Оба закона Фарадея можно выразить общей формулой:

m_в = M_{эк (В)} ∙ I ∙ τ = M_{эк (В)} ∙ Q = , (4)

где: m_в – масса окисленного или восстановленного вещества B, г;

М_{эк (В)} – мо­лярная масса электрохимических эквивалентов вещества В, г/Кл;

I – сила тока, А; τ – время, с; Q = I∙ τ –количество электричества, Кл;

М_эк(В) – молярная масса эквивалентов вещества В, г/моль.

Количество образовавшихся веществ можно рассчитать, используя законы электролиза по формуле (4):

а) масса выделившегося водорода

= = = 2,238 г; M = 1,0 г/моль;

б) масса выделившегося хлора

= = = 79,46 г; M = 35,5 г/моль;

в) масса образовавшегося в растворе гидроксида магния

= = = 62,24 г;

= 35,5 г/моль;

Пример 6. Какое количество кислорода выделяется на аноде при электро­лизе водного раствора сульфата меди, если на катоде выделяется 35 г меди?

Решение. В соответствии с законом М. Фарадея на электродах окисляется или восстанавливается эквивалентное количество веществ.

Определяем эквивалентное количество меди, выделившейся на катоде:

n_Cu = = = 1,101 моль; = = = 31,77 г/моль;

Если на катоде выделилось 1,101 моль меди, то на аноде выделится 1,101моль кислорода ( = 8 г/моль), тогда m_O = n_O ∙ = 1,101∙8 = 8,808 г.

Пример 7. Определите время, необходимое для получения 150 г металлического натрия при электролизе расплава хлорида натрия, если сила тока 2000 А. а выход по току m = 55%. Сколько литров хлора при этом образуется? Условия счи­тать нормальными.

Решение. При электролизе расплава хлорида натрия NaCl на электродах проте­кают процессы:

А(+): 2Сl ^– – 2 ē = Сl₂

К(–): 2Na⁺ + 2 ē = 2Na.

При электролизе количество восстановленного или окисленного вещества всегда меньше, чем должно получиться согласно законам Фарадея. Это объясняется тем, что наряду с основными электродными процессами окисления и восста­новления протекают побочные процессы, например, реакция взаимодействия об­разовавшегосявещества с электродом или электролитом или выделение, наряду с металлом, водорода и др. Поэтому дляучета той части прошедшего через элек­тролитэлектричества, которая расходуется на получение желаемого продукта, введено понятие «выход по току». Выход по току μ – отношение массы полученного вещества в данных условиях электролиза к массе, теоретически вычислен­ной на основании закона Фарадея:

. (5)

Время, необходимое для получения 150 г металлического натрия, определя­ем по формуле (5):

= = 572,13 c; = 23,0 г/моль;

Объем хлора: = = 73,043 л.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

241. Составьте схему и напишите уравнения электродных процессов, протекаю­щих на кобальтовых электродах (с учетом перенапряжения) при электролизе водного раствора соли NiSO₄ в стандартных условиях, при активности ионов никеля = 1 моль/л (среда кислая, рН < 7), температуре 298 K, плотности тока i = 10 А/м², = + 2,01 В.

242. Один из способов промышленного получения кальция – электролиз расплава CaCl₂ . Какая масса металла будет получена, если известно, что в результате электролиза выделился хлор объемом 896 л при нормальных условиях?
Ответ: 1,6 кг.

243. Составьте схему и напишите уравнения электродных процессов, протекаю­щих на электродах из золота (с учетом перенапряжения) при электролизе вод­ного раствора соли NaBr в атмосфере воздуха, при активности ионов натрия = 1 моль/л (среда нейтральная, рН = 7), температуре 298 K, плотности тока i = 10 А/м².

244. Составьте схему, напишите уравнения электродных процессов и рассчитай­те теоретический потенциал разложения водного раствора NiSO₄ при электро­лизе на платиновых электродах при стандартных условиях (среда кислая, рН < 7), = + 2,01 В.

Ответ: U_T = 1,479 B.

245. Составьте схему и напишите уравнения электродных процессов, протекаю­щих на кобальтовых электродах (с учетом перенапряжения) при электролизе водного раствора соли в стандартных условиях, при активности ионов кальция = 1 моль/л (среда кислая, рН < 7), температуре 298 K, плотности тока i = 10 А/м².

246. Какой промежуток времени (мин) следует пропускать ток силой 0,5 А через раствор AgNO₃ до выделения 0,27 г серебра?

Ответ: 8 мин.

247. Составьте схему и напишите уравнения электродных процессов, протекающих на кадмиевых электродах (с учетом перенапряжения) при электролизе водного раствора соли СuSО₄ в стандартных условиях, при активности ионов меди = 1 моль/л (среда кислая, рН < 7), температуре 298 K, плотности тока i = 10 А/м², = + 2,01 В.

248. При электролизе расплава KCl на катоде выделился калий массой 7,8 г. Оп­ределите объем хлора, который выделился на аноде при нормальных условиях.
Ответ: 2,24 л.

249. Составьте схему и напишите уравнения электродных процессов, протекающих на графитовых электродах (с учетом перенапряжения) при электролизе водного раствора соли NaF в атмосфере воздуха, при активности ионов натрия =1 моль/л (среда нейтральная, рН = 7), температуре 298 K и плотности тока i = 10 А/м².

250. При электролизе водного раствора AgNO₃ в течение 50 мин и силе тока 3А на катоде выделилось 9,6 г серебра. Определите выход по току.

Ответ: 95,4%.

251. Составьте схему и напишите уравнения электродных процессов, протекаю­щих на медных электродах (с учетом перенапряжения) при электролизе водного раствора соли NiCl₂ в атмосфере воздуха, при активности ионов никеля = 1 моль/л (среда кислая, рН < 7), температуре 298 K, плотности тока i = 10 А/м².

252. При электролизе раствора AgNO₃ с инертными электродами (условия стандартные) на аноде выделился кислород массой 12 г. Какая масса серебра обра­зовалась при этом?

Ответ: 162 г.

253. Составьте схему и напишите уравнения электродных процессов, протекаю­щих на железных электродах (с учетом перенапряжения) при электролизе водного раствора соли CdSO₄ в атмосфере воздуха, при активности ионов кадмия = 1 моль/л (среда кислая, рН < 7), температуре 298 K и плотности тока i = 10 A/м².

254. Вычислите массу серебра, выделившегося на катоде при пропускании тока силой 6 А через раствор AgNO₃ в течение 30 мин.

Ответ: 12 г.

255. Составьте схему и напишите уравнения электродных процессов, протекаю­щих на медных электродах (с учетом перенапряжения) при электролизе водно­го раствора соли KI в атмосфере воздуха, при активности ионов калия = 1 моль/л (среда кислая, рН < 7), температуре 298 K, плотности тока i = 10 А/м².

256. При электролизе водного раствора Сr₂(SО₄)₃ током силой 2 А масса катода увеличилась на 8 г. Определите промежуток времени, в течение которого про­водили электролиз.

Ответ: 6,19 ч.

257. Составьте схему и напишите уравнения электродных процессов, протекаю­щих на кобальтовых электродах (с учетом перенапряжения) при электролизе водного раствора щелочи КOH в атмосфере воздуха, при активности ионов калия = 1 моль/л (среда щелочная, рН > 7), температуре 298 K, плотности тока i = 10 А/м².

258. Через раствор соли Ni(NO₃)₂ в течение 2,45 часов пропускали ток силой 3,5 А. Определите, на сколько граммов за это время уменьшилась масса нике­левого анода.

Ответ: 9,39 г.

259. Составьте схему и напишите уравнения электродных процессов, протекаю­щих на никелевых электродах (с учетом перенапряжения) при электролизе водного раствора соли Cr₂(SO₄)₃ в атмосфере воздуха, при активности ионов хрома = 1 моль/л (среда щелочная, рН > 7),температуре 298 K, плотности тока i =10 A/м², = + 2,01 В.

260. При рафинировании меди током 25А за 4 часа выделяется 112 г меди. Рас­считайте выход по току.

Ответ: 94,4 %.