Лабораторная работа № 1 электролиз

Цель работы

Изучение процессов, происходящих при электролизе водных растворов электролитов.

Оборудование и реактивы

Источник постоянного электрического тока, электролизеры, кристаллизатор, медный и графитовые электроды, пробки, пробирки, промывалка, секундомер, спиртовка, спички, химические стаканы.

Медная и никелевая пластинки, медная проволока; иод-крахмальная бумага; дистиллированная вода, растворы: хлороводородная кислота HCl (2 М), гидроксид натрия NaOH (15%-ный), хлорид натрия NaCl (насыщ.), сульфат никеля (II) NiSO₄ (0,3 М) и 0,5 М сульфат меди (II) CuSO₄, иодид калия KI, сульфат натрия Na₂SO₄; индикаторы: метиловый оранжевый, фенолфталеин.

Экспериментальная часть¹

О

Рис. 6. Схема электролизера

пыты проводятся в электролизере, состоящем из U-образной трубки (в опыте № 1 с отростками, в опытах № 2–4 без отростков); графитовые или соответствующие электроды из металлов, закрепленные в резиновые пробки неплотно (кроме опыта № 1 – плотно) вставляются в электролизер, который заполняется раствором электролита на 1/2 его объема. По окончании опытов электроды тщательно промойте водой.

Опыт 1. Электролиз раствора хлорида натрия

Соберите электролизер с насыщенным раствором NaCl на инертных электродах по схеме (рис. 6) и подключите к источнику электрического тока, отметьте время полного заполнения пробирки газом с катода. Подтвердите качественный состав выделившегося на катоде газа ______, собранного над водой – поднося пробирку с газом (строго вертикально и вверх дном) к горящей лучине или спиртовке. Выделяющийся на аноде газ ______ пропустите в раствор KI с иод-крахмальной бумагой.

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Вычислите массовую долю выхода (η) водорода от теоретически возможного (%) по формуле: η = m_прак ∙100% / m_теор = ______________________________.

Вычисление практической массы (m_прак) проводится исходя из практического объема газа, полученного за время проведения эксперимента: m_прак = M ∙ V_прак / V_m,

____________________________________________________________,

где М – молярная масса полученного вещества; V_прак – объем полученного вещества; V_m – молярный объем газа, равный 22,4 моль/л.

Вычисление теоретической массы (m_теор) получаемых веществ проводится по формуле: M_теор= М_Э∙I∙τ / F =________________________________________,

где М_Э – молярная масса эквивалента получаемого вещества (= молярная масса полученного вещества / число принятых или отданных электронов; г/моль); I – сила тока, при которой осуществляется процесс (А); τ – время электролиза (с); F – постоянная Фарадея (96485 Кл/моль).

Опыт 2. Электролиз раствора сульфата натрия

В U-образную трубку налейте 0,5 М раствора Na₂SO₄ и добавьте в оба колена несколько капель раствора метилового оранжевого. Опустите инертные электроды и присоедините их к источнику постоянного тока. Пропускайте ток в течение 5–10 мин.

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Опыт 3. Электролиз раствора иодида калия

В U-образную трубку налейте 0,5 М раствор KI и добавьте в оба колена несколько капель раствора фенолфталеина. Опустите инертные электроды и присоедините их к источнику постоянного тока. Пропускайте ток в течение 5–10 мин. Объясните изменение цвета раствора около катода и анода. Внесите в околоанодное пространство иод-крахмальную бумагу.

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Опыт 4. Электролиз раствора сульфата меди (II)

В U-образную трубку налейте 0,5 М раствор CuSO₄ и добавьте в околоанодное пространство несколько капель раствора метилового оранжевого. Опустите инертные электроды и присоедините их к источнику постоянного тока. Пропускайте ток в течение 5–10 мин. Объясните появление на катоде красного налета меди. Проделайте данный опыт, используя растворимый медный анод.

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Опыт 5. Электролитическое получение никеля (никелирование)

Подготовка к никелированию:

- механическая обработка: тонкую медную пластинку (длиной 3–4 см и шириной 1 см) с прикрепленной к одному концу медной проволокой тщательно очистите наждачной бумагой;

- обезжиривание: опустите очищенную пластинку на 1–2 минуты в 15%-ный раствор щелочи, а затем, не касаясь руками пластинки, промойте ее дистиллированной водой из промывалки;

- травление: опустите обезжиренную пластинку на 1–2 минуты в 2 М раствор HCl для освобождения поверхности металла от оксидов, а затем, не касаясь руками пластинки, промойте ее дистиллированной водой из промывалки и положите на фильтровальную бумагу.

Прибор для электролиза: в химический стакан налейте электролит и опустите электроды, в качестве катода используйте предварительно обезжиренную и протравленную в соляной кислоте медную пластинку, в качестве анода – никелевую пластинку. Электролиз проводите при комнатной температуре, плотности тока 0,3 А/дм², напряжении 3,5 В и расстоянии между электродами 1,5 см. Используйте электролит для никелирования: в 100 мл H₂O растворяют 5 г NiSO₄ и 1,5 г H₃BO₃. Составьте уравнения электродных процессов.

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Вывод: ___________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Пример Напишите электронные уравнения реакций, протекающих на электродах при электролизе водного раствора сульфата меди(II). Какая масса меди выделится на катоде и какой объем кислорода выделится на аноде в течение 1 часа и силе тока равной 4А?

Решение

Электролиз раствора сульфата меди(II): (-) К: Cu2+, H2O. (+) А: SO2−4 , H2O. На катоде: Cu2+ + 2 e = Cu0; На аноде 2H2O - 4 e = O2↑+4H+ электролиз 2CuSO4+2H2O→2Cu + 2H2SO4 +O2↑ Мэ=63,54/2 = 31,77 г/моль. m = МэIt/F m(Cu) = 31,77•4•3600/96500 = 4,74 г. m/Mэ= VO2 /Vэ(O2), Vэ(O2)=5,6 л. V = V(O2)It/96500 = 5,6•4•3600/96500 = 0,84 л. Ответ: 0,84 л.

Контрольные задания

1. Составьте уравнения процессов, протекающих при электролизе расплавов а) NaOH, б) NiCl₂, в) K₂S с инертными электродами.

2. Написать уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе водных растворов а) H₂SO₄, б) Pb(NO₃)₂ с платиновыми электродами.

3. Написать уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе водных растворов а) BaCl₂, б) Ni(NO₃)₂ с угольными электродами.

4. Написать уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе водных растворов а) FeCl₃, б) Ca(NO₃)₂ с инертным анодом.

5. Составить схемы электролиза водного раствора хлорида цинка, если: а) анод цинковый; б) анод угольный.

6. Составить схемы электролиза водного раствора хлорида меди, если: а) анод медный; б) анод угольный.

7. Раствор содержит ионы Fe²⁺, Ag⁺, и Pb²⁺ в одинаковой концентра­ции. В какой последовательности эти ионы будут выделяться при электролизе, если напряжение достаточно для выделения любого металла?

8. При электролизе растворов CuCl₂ на аноде вы­делилось 560 мл газа (н. у.). Найти массу меди, выделившейся на катоде.

9. Какие вещества и в каком количестве выделятся при пропускании тока силой 10 А в течение 5 минут через расплав хлорида магния?

10. Вычислить массу серебра, выделившегося на катоде при пропускании тока силой 6А через раствор нитрата серебра в течение 30 мин.

11. Сколько времени потребуется для полного раз­ложения 2 молей воды током силой 2А?

12. Как электролитически получить LiОН из соли лития? Какое количество электричества необходимо для получения 1т LiОН? Составить схемы электродных про­цессов.

13. Найти объем кислорода (н. у.), который выделится при пропускании тока силой 6 А в течение 30 мин через водный раствор КОН.

14. Найти объем водорода (условия нормальные), который выделится при пропускании тока силой в 3 А в течение 1 ч через водный раствор серной кислоты.

15. Какое количество электричества потребуется для выделения из раствора: а) 2 г водорода; б) 2 г кислорода?

16. Написать уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе водных растворов а) сульфида натрия, б) бромида алюминия с инертными электродами.

17. Написать уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе водных растворов а) нитрата серебра, б) карбоната натрия с инертными электродами.

18. Написать уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе водных растворов а) сульфида лития, б) нитрита калия с инертными электродами.

19. Написать уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе водных растворов а) нитрата хрома (III), б) азотной кислоты с инертными электродами.

20. Написать уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе водных растворов а) гидроксида калия, б) хлороводородной кислоты с инертными электродами.

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________