Примеры решения задач
Пример 1. Возможна ли какая-нибудь ОВР между металлической медью и солью железа (3+) в водном растворе?
Решение: 1. Выпишем возможные полуреакции и найдем в справочнике соответствующие значения j°.
(1) Fe3+ + e = Fe2+; j°1 = 0,77 В;
(2) Fe3+ + 3e = Fe; j°2 = - 0,04 В;
(3) Cu 2+ +e = Cu; j°3 = 0,34 В.
j°2 << j°3 <<j°1. Это значит, что вторая система не может быть окислителем, реакция 2Fe3+ + 3Cu = 2Fe + 3Cu2+ не идет. Но первая система может окислять медь, и реакция 2Fe3+ + Cu = 2Fe2+ + Cu2+ идет. Ее константа равновесия. Полуреакция (1) идет в прямом направлении, а полуреакция (3) с меньшим j° ‑ в обратном.
Пример 2. Будет ли работать гальванический элемент, составленный из никелевого электрода, с концентрацией раствора NiСl2 = 0,2 моль/л и марганцевого электрода с концентрацией MnСl2 = 0,5 моль/л? Напишите схему такого гальванического элемента. Определите Э.Д.С. этого элемента и значение ΔG при 298 К.
Решение:1. По таблице стандартных электродных потенциалов (приложение) находим:
-1,18
В, a
-0,25
В. Следовательно восстановителем
является марганец.
2. Составляем схему гальванического элемента:
Анод (-) Mn½0,5 M MnCl2½½0,2 NiCl2½ Ni (+) Катод
3. Рассчитываем значение Е (ЭДС):
Е = jOx – jRed.
Для
нашего примера Е =
-
Так как при 298 К
j =j + lg СMn+
Для
нашего примера
=
+
lg0,2=-0,25-0,02=-0,27
(B)
=
+
lg0,5=-1,18-0,01=-1,19
(B)
Е =-0,27-(-1,19) = 0,92 (B)
Следовательно, работа такого гальванического элемента возможна.
4. Найдем значение изобарно-изотермического потенциала:
ΔG = -nFE, для нашего примера ΔG=-2.96500.0,92=-177560 Дж
Пример 3. Написать схему электролиза раствора хлорида натрия с инертными электродами.
Решение:Натрий в электрохимическом ряду стоит до водорода, поэтому у катода будет происходить восстановление воды и накопление гидроксид-ионов. У анода происходит окисление ионов хлора:
Катод (-) Анод (+)
2Н2О + 2 ē → 2 ОН - + Н2 2Cl- -2 ē→ Сl2.
В целом процесс можно выразить уравнением:
2 NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2 + Cl2.
Пример 4. Написать схему электролиза раствора Na2SO4 с нерастворимым анодом
Решение:Натрий в ряду напряжений находится левее водорода, поэтому у катода происходит восстановление ионов водорода воды и накопление ионов гидроксида. У анода выделяется кислород за счет электрохимического окисления воды. Фактически происходит электролиз воды:
Na2SO4 → 2 Na+ + SO42-
H2O
Катод |
Анод |
2Н2О + 2 ē → 2 ОН - + Н2 |
2Н2О – 4 ē → О2 + 4Н+ |
У анода образуется раствор кислоты, у катода – раствор щелочи. Если растворы анодного и катодного пространства перемешивать, то вновь образуется сульфат натрия.
Если же анодное и катодное пространство разделить, можно выделить продукты электролиза.
В целом процесс выражается уравнением:
2 Na2SO4 + 6Н2О = 2 H2 + 4NaOH + O2 + 2H2SO4
Пример 5. Написать схему электролиза раствора CuSO4 с медным анодом
Решение:Процесс сводится к выделению меди на катоде и постепенному растворению анода. Количество сульфата меди в растворе остается неизменным:
Катод |
|
Анод (медный) |
Cu2+ ← |
CuSO4 |
→ SO42- |
Cu2+ + 2 ē → Cu |
|
Cu0 – 2 ē → Cu2+. |
Пример 6. Написать схему электролиза расплава NaCl
Решение:При электролизе расплавов солей сохраняются закономерности электролиза водных растворов. Однако отсутствие воды сказывается на характере реакций. В расплаве хлорида натрия содержатся ионы Na+ и Cl-. При пропускании через него электрического тока ионы Na+ у катода присоединяют электроны ‑ восстанавливаются до атомов, ионы Cl- у анода отдают электроны и окисляются до атомов хлора, которые затем образуют молекулы хлора:
Катод |
|
Анод |
Na+ ← Na+ + e → Na |
NaCl |
→ Cl- Cl- - e → Cl0 |
|
|
2 Cl0 → Cl2. |
В результате электролиза образуются натрий и хлор.
2NaCl→ 2Na + Cl2.
Пример 7. При прохождении электрического тока через разбавленный раствор серной кислоты в течение 10 минут выделился водород объемом 100 мл при 180С и давлении 100,6 кПа. Вычислить силу тока.
Решение: 1. Массу выделившегося водорода находим из уравнения:
m=
,
где V
= 100 мл = 1×
10-4 м3
p = 100,6 кПа = 1,006 × 105 Па
Т = 291 К
R = 8,314 Дж/ (моль×К)
М (Н2) = 2× 10-3 кг/моль.
Отсюда получаем:
m
=
=
8,32 ×
10-6 кг.
2. Силу тока находим по формуле:
J
=
=
=
1,34 А.
Пример 8. Ток силой 2,1 А проходит через раствор хлорида меди (II) в течение 20 минут. Вычислить массу разложившегося хлорида меди.
Решение: Находим массу разложившегося хлорида меди:
m
=
×
J
τ . mCuCl2
=
=
1,76 г.
Пример 9. При электролитическом получении магния в качестве электролита может служить расплав хлорида магния. Вычислить выход по току, если в ванне, работающей при силе тока 40 кА, в течение 5 ч, выделился магний массой 72,6 кг.
Решение: 1. Определим массу Mg, которая должна выделиться, согласно закону Фарадея:
m
=
=
90,73 кг,
2. Определим выход по току:
η
=
×
100% = 80%.