§ 3. Электролиз

Электролизом называется процесс разложения вещества электрическим током с выделением продуктов разложения на электродах. Процессы электролиза подчиняются законам Фарадея:

1. Масса вещества, выделившаяся на электродах при электролизе, прямо пропорциональна количеству прошедшего через раствор электричества, т. е. силе тока и времени его прохождения:

При проведении электролиза часть общего количества электричества может затрачиваться на побочные процессы и данного вещества выделится меньше, чем это соответствует всему количеству электричества, прошедшего через раствор. На практике приходится вычислять выход по току. Выходом по току называется отношение массы фактически выделенного при электролизе вещества к массе вещества, которое должно было бы выделиться согласно законам Фарадея. Выход по току η (эта) обычно выражается в процентах.

При электролизе происходит изменение концентрации раствора электролита у анода и катода не одинаково. Как указывалось в § 1, гл. VI, это обусловлено тем, что ионы движутся с различной скоростью. Измерение убыли вещества у катода и анода дает возможность определить числа переноса (уравнения VI, 14).

Примеры

1. При прохождении электрического тока через разбавленный раствор серной кислоты в течение 10 мин выделился водород объемом 100 см³ при 18 °С и давлении 100,6 кПа. Вычислить силу тока.

2. Ток силой в 2,1 А проходит через раствор хлорида меди (II) в течение 20 мин. Вычислить массу разложившегося хлорида меди.

3. При электролитическом получении магния в качестве электролита может служить расплавленный хлорид магния. Вычислить выход по току, если в ванне, работающей при силе тока 40 кА, в течение 5 ч выделился магний массой 72,6 кг.

4. При электролитическом восстановлении нитробензола в слабокислой среде со свинцовыми электродами получаем анилин. В процессе электролиза на свинцовом катоде образуется атомарный водород, являющийся активным восстановителем, и реакция выражается уравнением:

При получении анилина массой 1 кг средний выход по току составил 90%. Каков объем выделившегося водорода при 17 °С и давлении 100 кПа? Вычислить также, сколько энергии затрачивается нэ получение анилина массой 4 кг, если разность потенциалов между электродами равна 1,1 В?

Вопросы и упражнения

38. Что такое электролиз? Его практическое значение.

39. Раствор, содержащий по 0,1 моль нитрата цинка, нитрата меди (II) и нитрата свинца (II), подвергается электролизу. В какой последовательности будут разряжаться ионы на катоде?

40. Можно ли получить любой металл при электролизе водного раствора его соли?

41. Составьте схемы электролиза водного раствора и расплава хлорида натрия.

42. Какие процессы протекают у электродов при электролизе раствора хлорида меди (II) с платиновыми и с медными электродами?

43. Через растворы хлорида калия и сульфата калия в течение некоторого времени пропускали электрический ток. Покажите, изменилось ли содержание соли в растворе, составив схемы электролиза этих солей.

44. Сформулируйте законы Фарадея. Напишите и поясните уравнение, объединяющее оба закона.

45. Что такое коэффициент пропорциональности в уравнении (VI, 26)? Одинаков ли он будет у железа в солях FеСl₂ и FеСl₃?

46. Что такое выход по току? Почему введено это понятие?

47. Что такое поляризация? Какие существуют виды поляризации? Способы устранения поляризации.

48. Что такое напряжение разложения? Изобразите и поясните кривую напряжения разложения.

49. Почему кислородсодержащие кислоты и щелочи разлагаются почти при одном и том же напряжении разложения? Рассмотрите на примерах.

50. Объясните, почему у различных кислородсодержащих кислот напряжение разложения одно и почти одинаковое, а у бескислородных кислот — другое. Разберите на примерах.

51. Как измеряется скорость электрохимической реакции?

52. В чем заключается различие между химическими реакциями и реакциями электрохимическими?

53. В чем состоит сущность диффузионного перенапряжения? Напишите уравнение диффузионного перенапряжения.

54. Напишите стадии гетерогенной электрохимической реакции разряда и выделения водорода на катоде.

55. Что такое перенапряжение перехода, катодное и анодное перенапряжение? Напишите соответствующие уравнения.

56. От каких факторов зависит перенапряжение на электроде?

57. Как зависит перенапряжение водорода от природы металла и от плотности тока?

Задачи

53. Ток силой 1,2 А проходит через раствор хлорида меди (II) в течение 2 ч. Сколько меди выделится на катоде?

54. Через раствор сульфата натрия в течение 10 мин пропускали ток силой 0,5 А. какие продукты и в каких количествах образуются на катоде и аноде, если электроды платиновые, а анодное и катодное пространство разделены диафрагмой?

55. При прохождении тока через раствор гидроксида натрия в течение 2 мин выделился при 18 °С и давлении 98,6 кПа водород объемом 30 см³. Найдите силу тока.

56. Ток силой 2 А выделяет из раствора хлорида золота (III) в течение 1 ч золото массой 4,905 г. Вычислите молярную массу эквивалента этого металла.

57. При прохождении тока сило» 0,5 А за 1 ч из раствора сульфата меди (II) выделилась медь массой 0,5927 г. Определите молярную массу эквивалента меди.

58. Через растворы сульфата меди, нитрата свинца и хлорида сурьмы (III) проходит 3600 Кл электричества. Какова масса каждого металла, выделившегося на катоде?

59. Ток силой 1,5 А проходит через раствор хлорида висмута (III) в течение 20 мин. Найдите массу разложившегося электролита.

60. Ток силой 1,5 А выделяет из раствора сульфата кадмия в течение 40 мин кадмий массой 2,283 г. Вычислите молярную массу эквивалента этого металла. Какое вещество и какой массой выделилось на угольном аноде при нормальных условиях?

61. Какое количество электричества надо пропустить через раствор для никелирования, чтобы утюг поверхностью 500 см² покрылся слоем никеля толщиной 0,015 мм, если плотность никеля равна 8,8 г/см³?

62. Сколько времени надо пропускать ток силой 1А через раствор нитрата серебра, чтобы покрыть предмет, поверхность которого равна 150 см², слоем серебра толщиной 0,01 мм? Плотность серебра равна 10,5 г/см³.

63. Через раствор сульфата меди (II), в который опущены медные электроды, в течение 3 ч пропускали ток силой 1,5 А. Какие ; процессы происходили у анода и катода? Как изменилась масса анода? .

64. При рафинировании меди из раствора выделяется медь массой 338 при расхождении 1080 к Кл электричества. Вычислите выход по току.

65. Металлический кальций получается электролизом расплавленного хлорида кальция. Вычислите выход по току, если при про-, хождении 28,8 МКл электричества выделился кальций массой : 4,48 кг. Подсчитайте также, сколько электроэнергии затрачивается Ш1и получение кальция массой 1 т, если напряжение на ванне составляет 25 В?

66. При электролизе раствора нитрата серебра молярной концентрации 0,05 моль/л на катоде выделилось серебро массой 0,348 г. Убыль нитрата серебра в катодном пространстве при расчете на серебро составила 0,1858 г. Найти числа переноса для ионов Аg⁺ и NO₃^-.

1 Сименс — электрическая проводимость проводника сопротивлением 1 Ом.