Химия [РТФ, Ваганова, 1 семестр] / Методички / #6 Сборник лабораторных работ по химии
.pdfМасса вещества, прореагировавшего на электродах (выделившегося или разложившегося), прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через раствор (или расплав) электролита
m(X) = kЭ Q,
где kЭ – коэффициент пропорциональности или электрохимический эквивалент; Q – количество электричества, прошедшего через электролит.
kЭ = М(1/z*X) / F ; |
Q = I · τ ; |
||
m(X ) = |
M (1/ z * X ) I τ |
, |
|
F |
|||
|
|
где m(X) – масса образовавшегося или подвергшегося превращению вещества Х, г;
М(1/z*X) – молярная масса эквивалента вещества Х, г/моль; I – сила тока, А;
τ – время электролиза, с (или час);
F – постоянная Фарадея, 96500 А·с ( 26,8 А·час)
Если Q = I.τ. = F = 96500 Кл/моль, то m(X) = М(1/z*X).
То есть для электрохимического превращения на электродах количества вещества эквивалента равного 1 моль (независимо от природы вещества) через электролит должно пройти 96 500 кулонов электричества. Эта величина постоянная и называется числом Фарадея.
Число Фарадея можно рассчитать исходя из того, что 1 моль эквивалентов любого вещества несет 6,023·1023 элементарных зарядов, а элементарный заряд (ē) равен 1,602·10-19 кулона. Следовательно, постоянная Фарадея будет равна:
F = NA. g(ē) = 6,023·1023.1,602·10–19 = 96484 ≈ 96500 Кл/моль.
Для газообразных веществ закон Фарадея можно записать таким образом:
V (X ) =V (1/ z*X ) I τ |
; или V (X ) |
= |
Vэкв.(X ) I τ |
|
F |
||||
F |
|
|
Второй закон Фарадея можно сформулировать следующим образом:
При прохождении одинакового количества электричества через систему последовательно соединенных электролизеров массы веществ, выде-
41
лившихся на электродах, прямо пропорциональны молярным массам эквивалентов этих веществ.
m(X ) = |
M (1/ z * X ) I τ |
; |
m(Y ) = |
M (1/ z *Y ) I τ |
|
F |
|
|
F |
Если Q1 = Q2 , то |
|
|
|
|
|
m(X ) |
= |
M (1/ z * X ) |
|
|
m(Y ) |
|
M (1/ z *Y ) |
|
Таким образом, получили выражение закона эквивалентов. |
||||
Для газообразных веществ |
(при нормальных условиях) можно |
|||
записать: |
|
|
|
|
|
Vo(X ) |
= |
V (1/ z * X ) |
|
|
Vo(Y ) |
|
V (1/ z *Y ) |
|
где Vо(X), Vо(У) – объемы газов при нормальных условиях;
Vэкв(Х), Vэкв(У) или V(1/z*Х), V(1/z*У) – эквивалентные объемы газов (н.у.).
2.5.2. Выход по току
Законы Фарадея являются наиболее общими и 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:
1. Совместная разрядка различных ионов.
Например, при промышленном электролизе ZnSO4 примерно 5 % электроэнергии тратится на выделение водорода и 95 % – на выделение цинка.
2. Химическое растворение катодного материала.
Осажденный на катоде металл, например цинк, может частично растворяться в электролите.
3. 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 (Вт).
42
Выход по току – это доля общего количества электричества, которое затрачивается на выделение одного из веществ.
Выход по току обычно выражают в процентах.
ВТ = ΣQQi 100 (%),
где Qi – количество электричества, израсходованное на превращение одного i-того компонента;
∑Q – общее количество электричества.
Так как масса вещества, выделившегося на электродах, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через раствор электролита (Q ~ m), то можно записать
В |
= |
m(X )практ. |
100 (%), |
|
|||
Т |
m(X )теор. |
||
|
|
где m(X)практ. – масса вещества, практически выделившегося на электроде;
m(X)теор. – масса вещества, рассчитанная по закону Фарадея. Следовательно, с учетом закона Фарадея выход по току можно вычис-
лить следующим образом:
В |
= |
m(X )практ. F |
100 (%), |
|
M (1/ z * X ) I τ |
||||
Т |
|
|
Пример 8. Электролиз раствора сульфата цинка проводили с нерастворимым анодом в течение 4,5 часа. В результате на аноде выделилось 11,2 л газа (н.у.). Вычислите силу тока и массу осажденного металла, если выход по току металла равен 60 %.
Запишем схему электролиза раствора данной соли, учитывая, что на катоде может протекать два параллельных процесса: процесс выделения цинка и процесс выделения водорода. В растворе ZnSO4 подвергается гидролизу:
Zn2+ + H2O ↔ ZnOH+ + H+
рН раствора соли меньше 7, так как в растворе образуется избыток ионов водорода H+ за счет реакции гидролиза. Следовательно, на катоде водород может выделяться и за счет образовавшихся в результате гидролиза ионов водорода и за счет молекул воды. Предположим, что рН = 6, тогда потенциал выделения водорода будет равен:
φ(2Н+/Н2) = –0,059 . рН = –0,059 . 6 = –0,36 В
43
Стандартный потенциал цинка берем из таблицы: φ˚(Zn2+/Zn) = |
–0,76 В. |
||||||||
На аноде происходит разрядка воды [φ(О2/Н2О) = |
1,6–1,7 |
В] с выделением |
|||||||
кислорода, так |
как |
потенциал |
разрядки |
иона |
SO42- равен +2,01 В |
||||
[φо(S2O82- /SO42-) = +2,01 В] |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
C | ZnSO4, H2O | C |
|
|
|||
φ˚ |
-0,76 |
-0,36 |
|
|
|
|
|
|
|
K: |
Zn2+, |
H+, |
H2O |
Zn2+ |
+ 2ē |
= Zn (70%) |
|
||
|
|
|
|
2 H+ |
+ 2ē |
= H2 |
(30%) |
|
|
φ˚ |
+2,01 |
+1,6 |
|
|
|
|
|
|
|
A: SO42- , H2O |
2 Н2О – 4ē = О2 + 4 Н+ |
|
Для газообразного продукта закон Фарадея можно записать таким образом:
V (X ) = V (1/ z * X ) I τ ;
F
где F = 96500 А . с = 26,8 А час Vэкв(О2) = ¼ . 22,4 л/моль = 5,6 л/моль
Выразим силу тока из закона Фарадея и подставим данные из условия задачи:
I |
= |
|
F V (O2 ) |
= 26,8 11,2 |
=11,91 (А.) |
|
Vэкв.(О2 ) τ |
||||||
|
|
5,6 4,5 |
|
Теоретическую массу цинка можно рассчитать и по закону Фарадея и по закону эквивалентов. Определим массу цинка, которая могла бы выделиться на катоде при 100 % выходе по закону эквивалентов:
υ(1/z*O2) = υ(1/z*Zn) υ(1/z*O2) = V(O2)/Vэкв(О2) = 11,2 л/5,6 л/моль = 2 моль
mтеор.(Zn) = M(1/z*Zn) · υ(1/z*Zn) = 32,7 г/моль · 2 моль = 65,4 (г)
При выходе по току равном 60 % масса выделившегося цинка будет равна:
mпракт. |
= |
mтеор. (Zn) BТ |
= |
65,4 60 |
= 39,24 (г) |
|
100 |
100 |
|||||
|
|
|
|
Пример 9. Сколько времени потребуется для электрохимического фрезерования в никеле канавки длиной 10 см, шириной 1 см и глубиной 0,1 см при токе 100 А и выходе по току 50 %. Плотность никеля равна
8,9 г/см3.
Для изменения размеров и формы металлических изделий используют электрохимические способы обработки, при которых производится электроокисление металлических изделий. Анодная обработка изделий для придания им требуемой формы получила название электрохимической об-
44
работки металлов (ЭХОМ). Этот способ обработки металлов позволяет обрабатывать детали сложной конфигурации и металлы, которые механически не могут быть обработаны. Достоинством электрохимической обработки является высокая скорость растворения металлов. К недостаткам этого метода относится большой расход энергии. При электрохимической обработке металла, как и при обычном электролизе с растворимым анодом, происходит растворение металла. Изделие обрабатываемое электрохимическим сособом служит анодом и растворяется при прохождении тока.
В нашем примере происходит растворение никеля:
Ni – 2 ē = Ni2+.
К отрицательному полюсу источника тока подключается катод, обычно изготавливаемый из стали. На катоде, который при ЭХОМ называют инструментом, обычно выделяется водород:
2Н+ + 2 ē = Н2.
Взазор между электродами подается под давлением раствор электролита. Раствор электролита выносит из межэлектродного пространства продукты анодного растворения и газообразные продукты катодного восстановления.
Впроцессе электролиза необходимо удалить массу никеля, равную:
m(Ni) = V . ρ = 10 см . 1см . 0,1 см . 8,9 г/см3 = 8,9 г
Масса растворенного никеля по закону Фарадея пропорциональна количеству электричества прошедшего через электроды:
|
|
m(Ni) = M (1/ z*Ni) I τ |
; |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
|
|
τ |
теор.(X ) = |
m(Ni) F |
|
|
= |
8,9 26,8 |
|
=0,081 (часа) |
||
M (1/ z * X ) I |
|
29,35 100 |
||||||||
Поскольку выход по току равен 50 %, то: |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
τтеор. |
|
0,081 |
|
|
|||
|
τопыт. = |
|
|
= |
|
0,5 =0,162 (часа) |
||||
|
В |
|
||||||||
|
|
|
Т |
|
|
|
|
|
|
2.6.Техника безопасности
1.Перед началом работы познакомьтесь с методикой выполнения опытов.
Кработе приступайте только после разрешения преподавателя.
2.При работе с кислотами и щелочами соблюдайте осторожность, не допускайте их попадания на кожу и одежду. При попадании растворов кислот и
45
щелочей на кожу или одежду, немедленно смыть их струей воды и сообщить преподавателю или лаборанту.
3.Отработанные реактивы сливайте в раковину только после разбавления
водой.
4.Соблюдайте общие правила работы с электрооборудованием (целостность изоляции проводов, наличие заземления, исправность электрических контактов и розеток).
5.В лаборатории соблюдайте тишину и порядок. После окончания работы вымойте посуду и приведите в порядок рабочее место.
2.7. Экспериментальная часть
Схема установки и опыты по электролизу
Электролиз водных растворов электролитов проводят в приборе, схема которого изображена на рис. 9. Электролизер 1 представляет собой стек-
лянную U-образную трубку, закрепленную на подставке 2. |
|
|||||||
|
|
Электродами служат |
графитовые |
|||||
|
|
или металлические стержни, закреплен- |
||||||
|
|
ные в резиновых пробках. Во всех опы- |
||||||
|
|
тах |
электролизер |
заполняется на |
||||
|
|
2/3 своего объема. Электроды с помо- |
||||||
|
|
щью проводов присоединяются к клем- |
||||||
|
|
мам выпрямителя 4, на котором под- |
||||||
|
|
держивается |
напряжение |
постоянного |
||||
|
220 В |
|||||||
|
|
тока до 12 |
В. Перед каждым опытом |
|||||
Рис. 9. Схема прибора |
||||||||
электроды нужно зачистить наждачной |
||||||||
для электролиза: |
||||||||
бумагой, |
промыть |
дистиллированной |
||||||
1 – электролизер; 2 – подставка; |
||||||||
3 – электроды; 4 – выпрямитель |
водой |
и |
обсушить |
фильтровальной |
||||
|
|
бумагой.
Для проведения электролиза предлагаются следующие опыты.
Опыт 1. Электролиз раствора сульфата натрия
Заполните электролизер раствором сульфата натрия. Опустите в оба конца прибора угольные электроды. В прикатодное пространство добавьте 2–3 капли фенолфталеина. Электроды подсоедините к источнику постоянного тока и пропускайте ток в течение 3–5 минут. Отметьте изменение цве-
46
та раствора около катода. Какие продукты выделяются на электродах? Что образуется в катодном и анодном пространствах? Составьте схему электролиза раствора сульфата натрия.
Опыт 2. Электролиз водного раствора дихлорида олова
Налейте в электролизер раствор хлорида олова(II), опустите в электролизер угольные электроды и пропускайте ток в течение 5 минут. Наблюдайте появление на одном из электродов блестящих кристалликов металлического олова. В анодное пространство прилейте 1–2 мл раствора иодида калия и крахмального клейстера. Что наблюдается? Почему? Запишите схему электролиза и реакцию, протекающую в анодном пространстве после добавления KI.
Опыт 3. Электролиз водного раствора иодида калия
В электролизер налейте раствор иодида калия, опустите угольные электроды и пропускайте ток. Через 3–5 минут ток выключите, электроды выньте. В катодное пространство прилейте 2–3 капли фенолфталеина, а в анодное пространство – крахмального клейстера. Что наблюдается? Какие вещества выделились на электродах? Дайте схему электролиза.
Опыт 4. Электролиз водного раствора хлороводородной кислоты
Налейте в электролизер раствор соляной кислоты с молярной концентрацией 0,1 моль/л, опустите угольные электроды и пропускайте ток в течение 3–5 минут. Какие вещества выделяются на электродах? В конце опыта в анодное пространство прилейте немного (4–5 капель) раствора KI и крахмального клейстера. Какие изменения произошли в растворе у анода? Почему? Напишите схему электролиза и реакцию, протекающую в анодном пространстве после добавления KI.
Опыт 5. Электролиз водного раствора хлорида натрия
Налейте в электролизер раствор соли NaCl, опустите угольные электроды и включите ток. Через 3–5 минут отключите ток. В катодное пространство прилейте 2–3 капли фенолфталеина, а в анодное – 4–5 капель раствора иодида калия и крахмального клейстера. Что наблюдается?
47
Объясните произошедшие изменения в растворе у катода и анода. Составьте схему электролиза.
Опыт 6. Электролиз раствора гидроксида натрия
Налейте в электролизер раствор гидроксида натрия с молярной концентрацией 0,5 моль/л, вставьте угольные электроды и пропускайте ток 3–5 минут. Что происходит на электродах? Напишите схему электролиза
NaОН.
Опыт 7. Электролиз раствора сульфата меди(II)
а) В электролизер налейте раствор сульфата меди с молярной концентрацией 1 моль/л, опустите угольные электроды и пропускайте ток в течение 5–10 минут. Почему на катоде появляется красный налет? Что происходит на аноде? На каком электроде образуются пузырьки газа? Составьте схему электролиза соли с инертными электродами.
б) Измените направление протекания тока. Переключите электроды: бывший катод сделайте анодом, а анод – катодом. Снова пропускайте ток 3–5 минут. Что происходит с медным налетом на аноде? Какие изменения происходят на катоде? Напишите схему электролиза раствора сульфата меди с медным анодом.
Опыт 8. Электролиз раствора серной кислоты с медным анодом
Налейте в электролизер раствор серной кислоты с молярной концентрацией 1 моль/л. Опустите в одно колено электролизера угольный электрод и присоедините его к отрицательному плюсу источника тока. В другое колено электролизера опустите медный электрод и присоедините его к положительному полюсу источника тока (аноду). Пропускайте через раствор ток в течение 5 минут. Вначале на обоих электродах выделяются газы. При дальнейшем пропускании тока пузырьки газа на катоде исчезают, на катоде начинает появляться красный налет. Дайте объяснения происходящим изменениям и составьте схему электролиза.
Опыт 9. Электролиз раствора хлорида кобальта(II)
а) Налейте в электролизер раствор СоС12 и опустите в него угольные электроды, пропускайте электрический ток примерно 5–10 минут.
48
Объясните наблюдаемые на электродах явления. В конце опыта в анодное пространство прилейте по 3–4 капли КI и крахмала. Изменилась ли окраска раствора у анода? Почему? Что выделяется у катода? Составьте схему электролиза раствора соли с инертными электродами.
б) Перемените полюса у электродов. Снова пропускайте электрический ток 3–5 минут. Выделяются ли газы на электродах? Какие изменения происходят на катоде и аноде? Почему? Напишите схему электролиза соли с активным анодом.
Опыт 10. Электролиз раствора сульфата никеля(II)
а) Налейте в электролизер раствор соли NiSO4 и опустите в него угольные электроды, пропускаете через раствор ток в течение 5–10 минут. Какие явления происходят на электродах? На каком электроде со временем появляется налет металлического никеля? Отключив ток, в оба колена добавьте по 2–3 капли метилоранжа. Как окрашиваются растворы у анода и катода? Почему? Составьте схему электролиза раствора сульфата никеля с инертными электродами.
б) Измените направление протекания тока. Переключите электроды: бывший катод сделайте анодом, а анод – катодом. Снова пропускайте ток 3–5 минут. Что происходит с металлическим налетом никеля на аноде? Какие изменения происходят на катоде? Напишите схему электролиза раствора сульфата никеля с никелевым анодом.
Опыт 11. Очередность разрядки ионов на катоде
Налейте в электролизер по 20 мл растворов с молярной концентрацией 1 моль/л:
а) NaCl, CuCl2, ZnCl2;
б) Al(NO3)3, Pb(NO3)2, KNO3; в) CuSO4, ZnSO4, MgSO4.
Используя угольные электроды, пропускайте ток в течение 3–5 минут. Какие вещества выделяются на электродах? Объясните наблюдаемые явления.
49
Контрольные вопросы и задачи
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 метал-
лы: 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+;
г) Pb2+. Sn2+, Ca2+;
д) Mn2+, Ag+, Zn2+?
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.Рассчитайте теоретический потенциал разложения водных растворов солей: Fe2(SO4)3, NiSO4, MnSO4 при электролизе их с платиновым анодом.
14.Какую массу алюминия можно получить при электролизе расплава А12О3, если
втечение 1 часа пропускать ток силой 20 000 А, при выходе по току 85 %?
50