1.7. Выход по току

Законы Фарадея являются наиболее точными количественными законами электрохимии. Однако в большинстве случаев на практике масса выделившихся при электролизе веществ меньше массы вычисленной по закону Фарадея. Это объясняется тем, что в реальных условиях на электродах может протекать параллельно несколько реакций:

А). Совместная разрядка различных ионов

Например, при промышленном электролизе ZnSO₄ примерно 5 % электроэнергии тратится на выделение водорода и 95 % – на выделение цинка.

Б). Химическое растворение катодного материала

Осажденный на катоде металл, например цинк, может частично растворяться в электролите.

В). Перезарядка содержащихся в растворе многозарядных ионов

Например, катионы железа Fe³⁺ восстанавливаются на катоде до Fe²⁺, а затем, возвратившись в раствор за счет процесса диффузии, могут вновь окисляться на аноде. На такое попеременное окисление и восстановление непроизводительно затрачивается ток.

Полезное использование тока характеризуется выходом по току ( ).ё

Отношение количества электричества (q), необходимого для выделения данной массы вещества, ко всему количеству прошедшего через электролит электричества (Q), называется выходом по току данного вещества и обычно выражается в процентах:

или

2. Экспериментальная часть

2.1. Схема установки

Электролиз водных растворов электролитов проводят в приборе, схема которого изображена на рис. 1. Электролизер 1 представляет собой стеклянную U-образную трубку, закрепленную на подставке 2. Электродами служат графитовые или металлические стержни, закрепленные в резиновых пробках. Во всех опытах электролизер заполняется на 2/3 своего объема. Электроды с помощью проводов присоединяются к клеммам выпрямителя 4, на котором поддерживается напряжение постоянного тока до 12 В. Перед каждым опытом электроды нужно зачистить наждачной бумагой, промыть дистиллированной водой и обсушить фильтровальной бумагой.

Рис.1. Схема установки для электролиза растворов

2.2. Электролиз водного раствора хлорида натрия

Заполните электролизер до половины объема раствором хлорида натрия. Опустите в левое и правое колено графитовые электроды. Подключите их к источнику постоянного тока. Установите напряжение 8 В и в течение 2-3 минут проводите электролиз. Отметьте выделение газов на электродах. После окончания электролиза докажите образование щелочи у катода, добавив в раствор 2–3 капли фенолфталеина. Образование хлора на аноде докажите при помощи раствора иодида калия и крахмала. Иод окрашивает крахмал в синий цвет. Отметьте, что наблюдаете в прикатодной зоне. Электролизер и электроды после опыта промойте водой. Составьте схему электролиза раствора NaCl, указать первичные и вторичные продукты электролиза.

2.3. Электролиз водного раствора иодида калия

В электролизер с раствором КI опустите графитовые электроды и проведите электролиз при напряжении 8 В в течение 2-3 минут. Образующийся на аноде иод опускается на дно электролизера тяжелыми струями бурого цвета. Какой газ выделяется на катоде? По окончании электролиза в катодную зону добавьте 2 – 3 капли фенолфталеина. Что наблюдаете?

После электролиза анод промойте раствором Na₂S₂O₃ для удаления иода. Составьте схему электролиза раствора КI.

2.4. Электролиз хлорида (сульфата) цинка

Электролиз проведите с графитовыми электродами в течение 5 минут при напряжении 10 В.Отметьте выделение газа на аноде и образование светло-серого осадка на катоде. Составьте схему электролиза раствора соли цинка. После электролиза катод обработайте раствором соляной кислоты для снятия цинка.

2.5. Электролиз раствора сульфата меди

В электролизер с раствором сульфата меди опустите графитовые электроды и проведите электролиз в течение 3 минут при напряжении 8 В. Отметьте выделение газа на аноде и образование темно – красного осадка на катоде. Составьте схему электролиза раствора сульфата меди.

После электролиза катод обработайте раствором азотной кислоты для удаления медного покрытия.

2.6. Электролиз с нерастворимым и растворимым анодами

а) В электролизер с раствором серной кислоты опустите графитовые электроды и проведите электролиз в течение 3-5 минут при напряжении 6-8 В. Отметьте выделение водорода на катоде и кислорода на аноде.

б) В электролизер с раствором серной кислоты опустите графитовый катод и медный анод. Проведите электролиз в течение 3 минут при напряжении 8 В. Отметьте выделение водорода на катоде. Наличие ионов Cu²⁺ докажите добавлением в анодную зону концентрированного раствора NH₃ до образования [Cu(NH₃)₄]SO₄ интенсивно-синего цвета.

Составьте схемы электролиза раствора серной кислоты с нерастворимым и растворимым анодами. Электроды и электролизер после опыта промойте водой.

2.7. Электролиз раствора ацетата свинца

Электролиз проведите с медными электродами в течение 5 минут при напряжении 8-10 В. Чем объяснить голубое окрашивание у анода? Что окисляется? Что восстанавливается? Составьте схему электролиза раствора ацетата свинца.

2.8. Электролиз раствора сульфата натрия

В электролизер с раствором сульфата натрия опустите графитовые электроды и проведите электролиз в течение 5 минут при напряжении 8 В. Отметьте выделение газов на электродах. По окончании электролиза в катодную зону добавьте 2-3 капли фенолфталеина, а в анодную – 2-3 капли метилоранжа. Что наблюдаете? Составьте схему электролиза раствора Na₂SO₄.

2.9. Определение электрохимического эквивалента меди

Перед погружением в раствор сульфата меди медный электрод зачистите наждачной бумагой, погрузите на 2-3 с в концентрированную азотную кислоту, промойте водой, высушите и взвесьте с точностью до 0,01 г.

Подготовленный медный катод и медный анод опустите в электролизер и

проведите электролиз при определенной силе тока и в течении нескольких минут. По окончании опыта катод промойте водой, высушите и взвесьте. По результатам взвешивания определите массу осажденной меди:

m = m₂ – m₁,

где: m – масса осажденной меди, г; m₂ – масса катода после электролиза;

m₁ – масса катода до электролиза.

Вычисление электрохимического эквивалента меди проведите на

основе 1 закона Фарадея:

где: k – электрохимический эквивалент; I - сила тока, А; τ - продолжительность электролиза, с.

Определите ошибку опыта:

k_теор – k_эксп = Δ

- абсолютная ошибка опыта.

Полученные результаты занесите в таблицу:

Масса катода, г		Масса меди, г			Абсолютн. ошибка	Относит. ошибка
До электр	После

ПРИЛОЖЕНИЕ

Стандартные электродные потенциалы при 25 °C

Полуреакция
Ag+ (водн.) + e →Ag (тв.)	+0,799
Al3+ (водн.) + 3e → Al (тв.)	–1,66
Ba2+ (водн.) + 2e → Ba (тв.)	–2,90
Ca2+ (водн.) + 2e → Ca (тв.)	–2,87
Cd2+ (водн.) + 2e → Cd (тв.)	–0,403
Ce4+ (водн.) + e → Ce3+ (водн.)	+1,61
Co2+ (водн.) + 2e → Co (тв.)	–0,277
Cr3+ (водн.) + 3e → Cr (тв.)	–0,74
Cu2+ (водн.) + 2e → Cu (тв.)	+0,337
Cu+ (водн.) + e → Cu (тв.)	+0,521
Fe2+ (водн.) + 2e → Fe (тв.)	–0,440
2H+ (водн.) + 2e → H2 (г.)	0,000
K+ (водн.) + e → K (тв.)	–2,925
Li+ (водн.) + e → Li (тв.)	–3,05
Mg2+ (водн.) + 2e → Mg (тв.)	–2,37
Mn2+ (водн.) + 2e → Mn (тв.)	–1,18
Na+ (водн.) + e → Na (тв.)	–2,71
Ni2+ (водн.) + 2e → Ni (тв.)	–0,28
Pb2+ (водн.) + 2e → Pb (тв.)	–0,126
Sn2+ (водн.) + 2e → Sn (тв.)	–0,136
Zn2+ (водн.) + 2e → Zn (тв.)	–0,763

3. Вопросы для самостоятельной подготовки

1. Что такое электролиз? Какие процессы включает в себя электролиз?

2. Какие процессы протекают при электролизе на катоде и аноде?

3. Какова последовательность разрядки ионов на катоде и аноде?

4. В чем различие процессов электролиза с растворимым и нерастворимым

анодом?

5. Какие процессы протекают на электродах при электролизе водного раствора

хлорида железа(II): а) на угольных электродах; б) с железным анодом?

6. Какие металлы можно получить путем электролиза водных растворов их солей? Какие металлы нельзя получить таким способом?

7. Электролизом каких соединений, и при каких условиях можно получить металлы: K, Ca, Al?

8. Почему потенциалы разложения кислот: H₃PO₄, HNO₃, H₂SO₄ и щелочей NaOH, KOH очень близки по значениям (1,67–1,70 В)?

9. Имеется смесь солей с равной концентрацией катионов в растворе. В какой последовательности будут выделяться металлы при электролизе, если напряжение достаточно для выделения любого из них:

а) Na⁺, Sn²⁺, Au³⁺;

б) Ni²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺;

в) Mg²⁺, Cr³⁺, Au³⁺.

10. Проводится электролиз раствора гидроксида натрия. Будет ли меняться во времени: а) количество щелочи; б) концентрация раствора? Почему? Напишите

уравнения реакций, протекающих на электродах.

11. Через раствор сульфата кадмия пропущено 25 А. ч электричества. При этом на катоде выделилось 42,5 г кадмия. Напишите уравнения реакций, протекающих на электродах, и рассчитайте выход по току кадмия.

12. Напишите уравнения реакций, протекающих при электролизе сульфата никеля(II) на электродах: а) никелевых, б) инертных. Какой должна быть сила тока, чтобы за 10 часов на катоде выделилось 58 г никеля при выходе его по току 60 %?

13. Какую массу алюминия можно получить при электролизе расплава А1₂О₃, если в течение 1 часа пропускать ток силой 20 000 А, при выходе по току 85 %?

14. Электролиз раствора сульфата железа(II) проводили на угольных электродах в присутствии серной кислоты. При какой концентрации ионов водорода возможно совместное выделение железа и водорода, если концентрация ионов железа равна 1 моль/л?

15. Через раствор сульфата цинка пропускали ток в течение 30 минут. При этом выделилось 0,25 г цинка. Амперметр показывал 0,4 А. Какова ошибка в показаниях амперметра?

Литература

1. Коровин Н. В. Общая химия. – М.: Высшая школа, 2002. – 558 с.

2. Никольский А. Б., Суворов А. В. Химия: Учебное пособие для вузов. – СПб.: Химиздат, 2001. – 512 с.

3. Глинка Н. Л. Задачи и упражнения по общей химии. – М.: Интеграл-Пресс, 2004. – 240 с.

4. Задачи и упражнения по общей химии: Учебное пособие /Б. И. Адамсон, О. Н. Гончарук, В. Н. Камышова и др. / Под ред.Н. В. Коровина. – М.: Высшая школа, 2003. – 255 с.

5. Суворов А. В., Никольский А. Б. Вопросы и задачи по общей химии. –СПб.: Химиздат, 2002. – 304 с.