Література

1 Гамеева О.С. Физическая и коллоидная химия.- М.: Высшая школа, 1974. C 181 – 225.

2 Ахметов Б.В., Новиченко Ю.П., Чапурин В.И. Физическая и коллоидная химия. -Л.: Химия, 1986. С 200 – 232.

3 Ахметов Б.В. Задачи и упражнения по физической и коллоидной химии.-Л.:Химия,1988.С152-186.

4 Гамеева О.С. Сборник задач и упражнений по физической и коллоидной химии.- М.: Высшая школа, 1980. С77 – 104.

5 Краткий справочник физико-химических величин. Под редакцией К.П.Мищенко, А.А.Равделя. Л.Химия,1974.

6 Балезин С.А. Практикум по физической и коллоидной химии – М.: Просвещение,1980.

ІНСТРУКЦІЙНА КАРТКА ДЛЯ ПРОВЕДЕННЯ ПРАКТИЧНОГО ЗАНЯТТЯ

З НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ «ФІЗИЧНА ХІМІЯ»

ТЕМА: РОЗРАХУНКИ З ВИКОРИСТАННЯМ ЗАКОНІВ ФАРАДЕЯ. РОЗРАХУНКИ ЕЛЕКТРОПРОВОДНОСТІ РОЗЧИНІВ ЕЛЕКТРОЛІТІВ. РОЗРАХУНОК РІВНОВАЖНИХ ЕЛЕКТРОДНИХ ПОТЕНЦІАЛІВ ТА ЕЛЕКТРОРУШІЙНОЇ СИЛИ

Електроліз – це сукупність хімічних реакцій, які відбуваються під впливом електричного струму на електродах, занурених у розчин або розплав електроліту.

Важливу роль в процесі електролізу відіграє мате­ріал, з якого виготовлено електроди, особливо анод. Такі матеріали, як платина та графіт, є інертними, тобто самі не окиснюються під час електролізу, окис­нюються ж тільки компоненти електроліту. Якщо ано­ди виготовлено з міді, цинку, заліза, нікелю тощо, то в процесі електролізу матеріал анода може окисню­ватись (електроліз з розчинним анодом).

Під час електролізу розплавлених електролітів з інертними електродами на катоді завжди відновлюю­ться катіони металу, а на аноді окиснюються аніони. Наприклад, під час електролізу розплаву хлориду нат­рію відбуватимуться такі процеси: NаСl == Nа⁺ + Сl^- (дисоціація електроліту в розплаві); Na⁺ + е = Nа (відновлення, реакція на катоді);

2С1^- - 2е = Сl₂ (окиснення, реакція на аноді).

Загальне рівняння реакції одержимо, якщо зрівняємо число електронів, що беруть участь в катодному і анод­ному процесах, тобто помножимо рівняння реакції на катоді на 2:

Na⁺ + e = Na | 2

2Cl^- - 2e = Cl₂ | 1

електроліз

2Na⁺ + 2Cl^- --------------> 2Na + Cl₂

або електроліз

2NaCl --------------> 2Na + Cl₂

Отже, під час електролізу розплаву хлориду натріюна катоді виділяється металічний натрій, на аноді- газоподібний хлор.

Під час електролізу водних розчинів з інертним електродами поряд з катіонами та аніонами в електро­хімічних реакціях можуть брати участь молекули води. Щоб визначити, які частинки братимуть участь в катодному процесі, необхідно врахувати значення потенціалів електродів, яким відповідають іони, наявні в розчині. Доцільнo скористатись рядом стандартних електродних потенціалів.

Можливі на катоді такі варіанти:

1 Якщо в розчині містяться іони металів, для яких Е⁰ < 1,18В (наприклад, іони К⁺,Са²⁺,Аl³⁺) відновлюватись будуть молекули води:

2Н₂О + 2е = Н₂ + 2ОН^-

2. Якщо в розчині містяться іони металів з Е° >0 (Сu²⁺, Аg⁺ тощо), то вони легко відновлюються, наприклад:

Сu²⁺ + 2e = Сu.

3. У розчині, що містить іони металів з -1,18< E° <0 (наприклад, Zn²⁺, Fе²⁺), під час електролізу відбуваються одночасно два процеси — відновлення катіонів металу і молекул води:

Zn²⁺ + 2е = Zn;

2Н₂О + 2e = Н₂ + 2ОН^-.

У реакціях на аноді можуть брати участь аніони деяких безкисневих кислот (Сl^-, Вr^-, І^-, S^2-) і гідроксид-іони ОН^-, наприклад:

2Сl^- - 2е = Сl₂;

4ОН^- - 4e = Н₂O + O₂.

Якщо ж у розчині наявні аніони F^-, SO₄^2-, NO₃^-,СО₃^2-, то окиснення зазнає не аніон, а вода:

2Н₂О - 4е = 4Н⁺ + О₂.

У процесі електролізу з розчинними електродами на аноді окиснюється метал, наприклад, якщо анод нікелевий:

Ni - 2е = Nі²⁺.

Електроліз знаходить широке застосування в про­мисловості, в першу чергу він використовується для добування різних речовин (металів, газів та ін.).

ПРИКЛАДИ РОЗВ’ЯЗАННЯ ЗАДАЧ

Приклад 1 Складіть рівняння електролізу розплавленого йодиду натрію з графітовими електродами.

Розв'язок. 1. В розплаві йодид натрію NaI дисоціює на іони: NaI <==> Na⁺ + I^-

Катіони натрію під впливом електричного струму змі­щуються до катода (негативного електрода), йодид-іони — до анода (позитивного електрода).

2. На катоді відбувається відновлення катіонів натрію:

Катод (-) Nа⁺ + е = Nа.

3. Йодид-іони віддають електрони аноду, тобто окиснюються. Внаслідок цього утворюється молекуляр­ний йод:

Анод (+) 2I^- - 2e = І₂.

4. Загальне рівняння процесу електролізу одержи­мо, підсумовуючи рівняння реакцій окиснення та відновлення. Перед цим множимо кожне рівняння на такий коефіцієнт, щоб зрівняти число електронів, які беруть участь у катодному та анодному процесах:

Na⁺ + e = Na | 2

2I^- - 2e = I₂ | 1

електроліз

2Na⁺ + 2I^- ---------------> 2Na + I₂

електроліз

або в молекулярній формі: 2NaI ----------------> 2Na + I₂

Приклад 2 Складіть рівняння електролізу водного розчи­ну сульфатної кислоти з інертними електродами.

Розв'язок. 1. У водному розчині сульфатна кислота практично повністю дисоціює на іони за двома сту­пенями:

перший ступінь Н₂SО₄ <==> Н⁺ + НSО₄^-; другий ступінь НSO₄^- <==> Н⁺ + SO₄^2-.

2. Під час проходження крізь розчин кислоти по­стійного електричного струму іони гідрогену переміщую­ться до катода і відновлюються з утворенням молеку­лярного во дню;

Катод (-) 2Н⁺ + 2е = Н₂.

3. Поблизу анода накопичуються сульфат-іони, проте у водних розчинах легше окиснюється вода:

Анод (+) 2Н₂О - 4е = 4Н⁺ + О₂.

4. Складаємо загальне рівняний електролізу:

2Н⁺ + 2е = Н₂ |2

2Н₂О - 4е = 4Н⁺ + О₂ | 1

----------------------------------------

електроліз

4Н+ + 2Н₂О --------------> 2Н₂ + 4Н⁺ + О₂

Виключаємо з правої та лівої частин однакове число одноіменних іонів і одержуємо:

електроліз

2Н₂О -------------> 2Н₂ + О₂

Отже, під час електролізу розчину сульфатної кислоти розкладається вода з утворенням водню та кисню.

Приклад 3 Складіть рівняння реакцій, що відбуваються під час проходження постійного електричного струму крізь водний розчин хлориду цинку (електроди виго­товлено з інертного матеріалу) .

Розв'язок. 1. Пишемо рівняння електролітичної ди­соціації солі у водному розчині:

ZnС1₂ <==> Zn²⁺ + 2С1^-.

2. Стандартний електродний потенціал цинкового електрода дорівнює: E°(Zn²⁺ | Zn) = -0,76 В, отже, на катоді відбуваються дві реак­ції — відновлення катіонів цинку і молекул води:

Катод (-) Zn²⁺ + 2е = Zn; 2Н₂О + 2е = 2ОН^- + Н₂.

3. На аноді окислюються хлорид-іони:

Анод (+) 2Сl ^- - 2e = С1₂.

4. Загальне рівняння в даному випадку скласти не можна, оскільки невідомо, яка частина електрики ви­трачається в катодному процесі на відновлення води, а яка — на відновлення іонів цинку.

Приклад 4 Які реакції відбуватимуться на електродах під час електролізу водного розчину сульфату купруму (II) з мідним анодом?

Розв'язок. 1. Складаємо схему електролітичної ди­соціації солі у водному розчині:

CuSO₄ <==> Cu²⁺ + SO₄^2-

2. На катоді відбувається відновлення катіонів міді (II), оскільки

E °(Сu²⁺ |Сu) = + 0,34 В:

Катод (- ) Сu²⁺ + 2e = Сu.

3. Через те що анод виготовлено з міді (розчин­ний), анодний процес буде пов'язаний з окисненням металу:

Анод (+) Сu - 2е = Сu²⁺

Отже, внаслідок електролізу мідь розчиняється на аноді, але така сама кількість міді (виключаючи неве­ликі втрати) виділяється на катоді. Загальне рівняння в даному випадку написати не можна.

Приклад 5 Під час електролізу водного розчину броміду натрію на аноді, виділився бром, маса якого стано­вила 5г. Обчисліть об'єм газу (нормальні умови),який виділився при цьому на катоді.

Розв'язок. 1. Складаємо схему процесу електролізу, враховуючи, що катіони натрію не відновлюються у вoдному розчині:

Катод (-) 2Н₂О + 2е = Н₂ + 2ОН^- | 1

Анод (+) 2Br ^- - 2e = Br₂ | 1

-----------------------------------------------------------------

електроліз

2Br - + 2H₂O ---------------> Br₂ + H₂ + 2OH^-

електроліз

або 2NaBr + 2H₂O ---------------> Br₂ + H₂ + 2NaOH

Отже газ, що виділяється під час електролізу на ка­тоді - водень.

2 Обчислюємо кількість речовини брому, який утворився внаслідок електролізу

m(Br₂) 8 г

n (Br₂) = ------------; n (Br₂) = --------------- = 0,05 моль

M(Br₂) 160 г/моль

3 З рівняння електролізу випливає:

n(H₂) = n(Br₂); n(H₂) = 0,05 моль

4. Знаходимо обєм водню, що виділився, приведений до нормальних умов:

V(H₂) = n(H₂) V_m; V(H₂) = 0,05моль . 22,4моль = 1,12 л.