Приклади задач по електролізу водних розчинів солей.

Приклад 1. Складіть рівняння реакцій, що мають місце на електродах, у процесі електролізу водного розчину калій хлориду з інертним анодом. Скільки літрів водню виділиться на катоді протягом 2 год. 14 хв. при силі струму 6А (н.у.)?

Розв’язання.

У водному розчині хлорид калію дисоціює

KCl  K⁺ + Cl^-

(-) на катоді (+) на аноді

K⁺, H₂O Cl^- , H₂O

2H₂O + 2ē = H₂ + 2OH^- 2Cl^- - 2ē = Cl₂

У катодному просторі нагромаджується калій гідроксид.

К⁺ + ОН^- = КОН

Молярна маса еквівалентів водню становить 1 г/моль. Час за умовою задачі 2 год. 14 хв. або 8040 с. Маса водню дорівнює:

М(Н₂) = 2 г/моль, отже об’єм одержаного водню (н.у.)

Приклад 2. Складіть рівняння реакцій, що мають місце на електродах у процесі електролізу водного розчину купрум (ІІ) сульфату з активним (мідним) анодом.

Розв’язання.

Електроліз водного розчину CuSO₄ на мідному аноді протікає за схемою:

CuSO₄  Cu²⁺ + SO₄^2-

(-) на катоді (+) на аноді

Cu²⁺, H₂O SO₄ , H₂O , Cu

Cu²⁺ + 2ē = Cu Cu⁰ – 2ē = Cu²⁺

У процесах електролізу солей сильних кислот і малоактивних металів з активним анодом відбувається розчинення матеріалу і відновлення йонів металу на катоді. Такі процеси широко використовуються в промисловості для нанесення гальванічних покрить, рафінування металів, для одержання активних металів, лугів, хлору і ін.

Акумулятори

Акумулятори – гальванічні елементи багаторазової дії. Вони працюють в двох режимах: розрядки і зарядки. У режимі розрядки акумулятор працює як гальванічний елемент, в режимі зарядки – як електролізер. Реакції, відповідальні за утворення електричного струму в акумуляторі, повинні бути оборотними. Для катода і анода використовується один і той самий електроліт, а фізичний стан електродів повинен відновлюватись після циклу розрядка – зарядка.

Найширше розповсюджені свинцеві і залізо–нікелеві (або кадмій–нікелеві) акумулятори. Свинцевий акумулятор складається із свинцево–сурьмяних сотових пластин. Соти пластин заповнюють пастою із плюмбум (IV) оксиду PbO₂ і свинцевого сурику Pb₃O₄, замішаною на сульфатній кислоті. Електроліт являє собою 35% сульфатну кислоту.

У процесі первинної зарядки матеріал на аноді перетворюється в пористий PbO₂, а катодний матеріал відновлюється до губчатого свинцю. Схема одержаного гальванічного елемента:

(-) Pb |H₂SO₄| PbO₂ (+)

Розрядка в свинцевому акумуляторі протікає за такими реакціями:

на аноді – окиснення:

Pb + SO₄^2- = PbSO₄ + 2ē

на катоді – відновлення:

PbO₂ + 2ē + SO₄^2- + 4H⁺ = PbSO₄ + 2H₂O

Щоб зарядити свинцевий акумулятор, його приєднують до джерела постійного електричного струму: негативну пластинку - до “ - “ , позитивну - до “+”.

Зарядка свинцевого акумулятора протікає за реакціями, зворотними до реакцій розрядки.

на аноді:

PbSO₄ + 2H₂O = PbO₂ + 2ē + SO₄^2- + 4H⁺

на катоді:

PbSO₄ + 2ē = Pb + SO₄^2-

С умарна реакція роботи свинцевого акумулятора записується за схемою

Експериментальна частина.

Електроліз проводять у приладі (рис. 14) – електролізері. Електролізер складається з U – подібної трубки (1) і двох електродів (2) . U – подібну трубку закріпляють в штативі (3). Прилад підключають в електромережу ( U = 36 В) через вирівнювач струму на постійний.

Д ослід 1. Електроліз розчину купрум (ІІ) хлориду.

Налийте в електролізер 0,5М розчин CuCl₂. В обидва коліна електролізера опустіть графітові електроди і підключіть прилад до джерела постійного струму.

Спостерігайте на катоді виділення міді. Підтвердіть утворення хлору на аноді, для чого в анодний простір добавте 3-4 краплі розчину калій йодиду і крохмалю та спостерігайте появу синього забарвлення.

Запишіть рівняння електродних процесів.

Дослід 2. Електроліз розчину калій йодиду.

Дослід проведіть аналогічно попереднього. Електроди графітові. До 0,5М розчину КІ додайте в катодний простір 1-2 краплі фенолфталеїну, а в анодний - кілька крапель крохмалю. Струм пропускайте протягом 10 хв. Що відбувається на електродах?

Чому в розчині біля катоду спостерігається лужна реакція?

Запишіть рівняння електродних процесів.

Дослід 3. Електроліз розчину натрій сульфату.

Дослід проведіть аналогічно до попереднього. Електроди графітові. Струм пропускайте протягом 6 хв. До розчину Na₂SO₄ додайте 1-2 краплі фіолетового розчину лакмусу. Спостерігайте зміну забарвлення розчину біля аноду і катоду і виділення газів.

Запишіть рівняння електродних процесів.

Дослід 4 . Електроліз розчину цинк сульфату.

Налийте в електролізер 0,5М розчин ZnSO₄. Графітові електроди занурте в розчин і підключіть прилад до джерела постійного струму. Спостерігайте виділення бульбашок газу (якого?) на аноді і катоді, а також на катоді утворення кристалів металічного цинку.

Запишіть рівняння реакцій електродних процесів.

Дослід 5 . Кислотний свинцевий акумулятор.

З беріть акумулятор (рис. 15), який складається з свинцевих пластин (3), занурених в 3,5М розчин сульфатної кислоти.

Запишіть рівняння реакції між свинцем і сульфатною кислотою.

Перевірте, чи працює акумулятор. Для цього необхідно підключити провідники до електричної лампочки.

Зарядіть акумулятор, підключивши його до джерела постійного струму, і пропустіть через нього струм напругою 12 В протягом 3-4 хв.

Як зміниться колір пластин? Чому?

Від’єднайте акумулятор від джерела струму і знову підключіть лампочку.

Напишіть рівняння реакцій електродних процесів зарядки і розрядки акумулятора.