Методическое пособие
Примеры решения задач по реакциям электролиза
Задача №1
При электролизе 1л раствора хлорида меди (II) на катоде выделилась медь массой 12,7г. Вычислите объем газа (н.у.), выделившегося на аноде, если плотность раствора близка к 1 г/мл.
Решение
Vр-ра CuCl2=1л
1г/мл
m(Cu)=12,7г
V (Cl2) - ?, н.у.
раствор CuCl2 = Cu2+ +2Cl–
(H2 O)
на катоде : Cu 2+ , H2 O(H+ )
на аноде : Cl – , H2 O
1 2 2 Cu2+ + 2Cu0
1 2 2Cl— - 2 Cu2 0
Cu2+ + 2Cl– Cu0 + Cl2
m=12,7г V-?
CuCl2 = Cu↓ + Cl2 ↑
раствор М=64 г/моль Vm=22,4 л/моль
1 моль 1 моль
1) V(Cl2 ) = (Cl2 ) -Vm
2) ,
V (Cl2 ) = 0,198 моль - 22,4 л/моль = 4,44 л
Ответ: V (Cl2 ) = 4,44 л (н.у.)
Задача №2
При электролизе водного раствора нитрата серебра (I) на аноде выделилось 13,44л кислорода (н.у.). Определите массу выделившегося на катоде серебра, если выход серебра составил 90% от теоретически возможного, а выход кислорода – количественный.
Решение
Vпр (О2)=13,44л
(О2) = 100%
(Ag) = 90%
m ( Ag) - ?
раствор
AgNO3 = Ag2+ +NO3 –
(H2 O)
на катоде : Ag + , H2 O(H+ )
нааноде: NO3 – , H 2 O
4 4 2 Ag2+ + 1 Ag0 NO3 — 1 4 2H2 O- 4 O2 0 +4H+
4Ag+ + 2H2 O4Ag0 + O2 0 + 4H+
+4NO3 — +4NO3 —
=90% =100%
ίmпр=? Vпр = 13,44л
4AgNO3 +2H2 O = 4Ag↓ + O2 ↑+ 4HNO3
М=108 г/моль Vm=22,4 л/моль
4 моль 1 моль
1) т (O2 ) = пр (O2 ) =
2) 4 - 0,6моль = 2,4моль
3) mТ (Ag) = 2,4 моль - 108 г/моль = 259,2г; mпр (Ag) = mТ (Ag) -(Ag)
4) mпр (Ag) = 259,2г - 0,9 = 233,3г
Ответ: mпр (Ag) = 233,3г
Задача №3
При электролизе водного раствора хлорида цинка на катоде выделился цинк массой 68,25г, а на аноде – хлор объемом 28,22л (н.у.). Определите выход цинка, если выход хлора составил 90% от теоретически возможного.
Решение
mпр (Zn)=68,25г
Vпр (Cl2)=28,22л
(Cl2) = 90%
(Zn) - ?
раствор
ZnCl2 = Zn2+ +2Cl–
1 2 2 Zn2+ + 2Zn0
1 2 2Cl— - 2Cl2 0
Zn2+ + 2Cl— Zn0 +Cl2 0
(H2 O)
на катоде : Zn 2+ , H2 O
на аноде : Cl – , H2 O
= ?
mпр =68,25г =90%, Vпр =28,22л
ZnCl2 = Zn↓ + Cl2 ↑
(HO2 ) М=65 г/моль Vm=22,4 л/моль
1 моль 1 моль
1) (Zn) = ; 2) mТ (Zn) = (Zn) -M(Zn);
3) ; Т (Zn) = Т (Cl2 )
4) ; 5)
6) (Cl2 ) = ; 7) mТ (Zn) = 1,4моль - 65 г/моль = 91г
8) (Zn) =
Ответ: У(Zn) = 0,75 (75%)
Задача №4 . Определите массу медного купороса, помещенного в электролизёр, если при электролизе его водного раствора выделился кислород объемом 5,71 (н.у.), выход которого ставил 85% от теоретически возможного.
Решение
Vпр(O2)=5.71л
(н.у.)
(О2) = 85%
m(CuSO45H2O) -?
раствор
CuSO4 = Cu2+ + SO4 2–
2 4 2 Cu2+ + 2Cu0
1 4 2H2 O - 4O2 0 + 4H+
2Cu2+ + 2H2 O 2Cu0 + O2 0 + 4H+
+2SO4 2- +2SO4 2–
(H2 O)
на катоде : Cu 2+ , H2 O
на аноде : SO4 – , H 2 O
m= ?
M= (CuSO4 -5H2 O) = 250г/моль
2CuSO4 + 2H2 O = 2Сu↓ + O2 ↑ + 2H2 SO4
М=160 г/моль Vm=22,4 л/моль
2 моль 1 моль
1) m(CuSO4 -5H2 O) = (CuSO4 - 5H2 O) -M(CuSO4 -5H2 O)
2) (CuSO4 - 5H2 O) = (CuSO4 )
3) ;
4)
5)
6)
7) (CuSO4 ) = 0,3 моль - 2 = 0,6 моль = (CuSO4 -5H2 O)
8) m(CuSO4 -5H2 O) = 0,6 моль - 250 г/моль = 150г
Ответ: m(CuSO4 -5H2 O) = 150г.
Задача № 5
Через электролизер, содержащий раствор гидроксида калия объемом 300мл с массовой долей вещества 22,4% (плотность 1,2 г/мл), пропустили электрический ток. Рассчитайте массовую долю гидроксида калия в растворе после отключения тока, если известно, что на катоде выделился газ объемом 89,6л (н.у.)
Решение
Vр-ра КОН = 300мл
= 22,4%
= 1,2 г/мл
V(H2) = 89,6л
н.у.
(КОН) -?
раствор
КОН= К+ + OН– (среда щелочная)
2 4 2 2H2 O +2 H2 0 + 2OH—
1 4 4OH— - 4 O2 0 + 2H2 O
4H2 O +4OH — 2H2 0 +4OH — +O2 0 +2H2O
(H2 O)
на катоде : К+ , H 2 O
на аноде : OH – , H2 O
ί V = 89,6л
2H2 O = 2H↑ + O2 ↑ (1)
(р-р КОН) Vm=22,4 л/моль
2 моль
1) (КОН) – массовая доля щелочи в растворе после реакции электролиза, которая зависит от содержания гидроксида калия в исходном растворе (она не изменяется в ходе электролиза) и массы воды, которая подверглась электролизу.
(КОН) =
2) mконечн. р-ра КОН = mисход. р-ра КОН – m1 (H2 O)
3) m1 (H2 O) = 1 (H2 O) -M(H2 O)
;
m1 (H2 O) = 4моль - 18 г/моль = 72г
4) mисход. р-ра КОН = V р-ра КОН -= 300мл - 1,2г/мл = 360г
5) mисход. (КОН) = (КОН) -mисход. р-ра КОН = 0,224 - 360мл = 80,64г
6) (КОН)
Ответ: после электролиза (КОН) = 0,28 (28%)
Задача №6
При электролизе 16г. расплава некоторого соединения
водорода с одновалентным элементом на аноде выделился водород количеством вещества 1 моль.
Установите формулу вещества, взятого для электролиза.
Решение
I I
m(Эл Н)=16г
(H2) = 1моль
Эл Н - ?
По условию, водород выделяется на аноде, значит, его ионы имеют отрицательный заряд, а искомый элемент имеет положительный заряд. Ясно, что ЭЛН – гидрид.
расплав
2 2 1 Эл+ +1Эл0
2 2 2H– - 2Н2 0
2Эл+ + 2Н – 2Эл0 + Н2 0
Эл Н= Эл1+ +Н 1–
на катоде : Эл1+
на аноде : H1–
m=16г ί=1моль
2ЭлН = 2Эл↓ + Н2 ↑
расплав 1 моль
2 моль
1) Mr (ЭлН) = (х + 1) а.е.м
2)
3)
4)
5) х+1=8
х =7, Аr (Эл)=7, значит Эл – лимит
Ответ: ЭлН – LiH, гидрид лития
Задача № 7
Электролиз 400мл. 6%-ного раствора сульфата меди (II) (плотность 1,02г/мл) продолжали до тех пор, пока масса раствора не уменьшилась на 10г. Определите массовые доли соединений в оставшемся растворе и массы продуктов, выделившихся на инертных электродах.
Решение
Vр-ра CuSO4 = 400мл
= 6%
= 1,02 г/мл
∆mр-ра = 10г
н.у.
?
См. схему реакции электролиза и электронные полуреакции в задаче №4, часть VII
= 1,02 г/мл
Vр-ра =400мл
Ñmр-ра = 10г
ί m - ? m - ?
2CuSO4 + 2H2 O = 2Сu↓ + O2 ↑ + 2H2 SO4 (1)
раствор М=64г/моль М=32г/моль М=98 г/моль
М=160 г/моль Vm=22,4 л/моль
2 моль 2моль 1 моль 2 моль
1) mр-ра CuSO4 = Vр-ра - = 400мл -1,02г/мл = 408г = mр-ра до реакции
2) (CuSO4 ) =
3) По условию процесс продолжается до тех пор, пока масса не уменьшилась на 10г, значит на электродах выделилось 10г веществ – меди и газообразного кислорода.
4) По уравнению реакции:
Пусть 1 часть продуктов (Cu и О2 ) содержит х моль вещества,
тогда моль; моль
5) m(O2 ) = 32x , г
m(O2 ) = 32x , г m(O2 ) + m(Cu) = 10
32(x) + 64 2x = 10
160x = 10
x = 0,0625
Значит: m(O2 ) = 32 г/моль- 0,0625 = 2г
m(Cu) = 64 г/моль- 2 - 0,0625 моль = 8г
6) m1 (H2 SO4 ) =(H2 SO4 ) -М(H2 SO4 )
7) (H2 SO4 ) = (Cu) = 2- 0.0625 моль = 0,125 моль
8) m1 (H2 SO4 ) = 0,125 моль - 98 г/моль = 12,25г
9) mобщ. (CuSO4 ) = mр-ра CuSO4 -(CuSO4 ) = 408г - 0,06 = 24,48г
10) m1 (CuSO4 ) = (CuSO4 ) -М(CuSO4 )
(CuSO4 ) -(Cu) = 2 - 0,0625 моль = 0,125 моль
m1 (CuSO4 ) = 0,125 моль - 160 г/моль = 20г
11) mизбытка (CuSO4 ) = 24,48 – 20г = 4,48г
12) mр-ра после реакции = mр-ра до реакции - m(Cu; O2 ) = 408г – 10г = 398г
13) (CuSO4 ) = 0,0112 (1,12% CuSO4 в оставшемся растворе)
14) (Н2 SO4 ) = 0,0308 (3,08% Н2 SO4 в оставшемся растворе)
Ответ: На электродах выделилось: m(Cu) = 8г; m(O2 ) = 2г; в оставшемся растворе: (CuSO4 ) =0,0112 (1,12%)
(Н2 SO4 ) = 0,0308 (3,08%)
Задача № 8
При электролизе раствора хлорида металла катион которого двухзаряден, на катоде выделилось 0,16г металла. При растворении этой массы металла в концентрированной азотной кислоте выделился бурый газ объемом 0,112 (н.у.) Определите состав хлорида и его массу в растворе.
Решение
II
MeCl2
m(Me) = 0,16г
m(NO2 ) = 0,112л
н.у.
MeCl2 - ? m(NCl2 ) - ? |
1) По условию, на катоде выделяется чистый металл, значит этот металл может находиться в ряду активности металлов «после водорода» раствор
MeCl2 = Ме2+ + 2Cl– m=0,16г
1 2 2 Me2+ +2Me0 (по условию)
1 2 2Cl— - 2 Cl 0
Me2+ + 2Cl — Me 0 +Cl 0
(H2 O)
на катоде : Me 2+ , H2 O(H+ )
на аноде : Cl – , H2 O
2) По условию реакции (1) нельзя однозначно вычислить (MeCl2 ), так как в условии задачи нельзя не говорится о том, что процесс электролиза прошел до конца, поэтому основные расчеты проводим по уравнению реакции (2)
ί m = 0,16г
MeCl = Me ↑ + Cl2 ↓ (1)
(H2 O)
m = 0,16г II V = 0,112л
Me + 4HNO3 = Me(NO3 ) + 2NO2 ↑ + 2H2 O2 (2)
1 моль (конц.) (по условию)
Vm=22,4л/моль
2 моль
1 2 2 Me0 +2 Me 2+
2 1 2 NO3 — + 2Н+ + NO2 0 + H2 O
Me0 + 2NO3 — + 4Н+ Me 2+ +2NO2 0 + 2H2 O
+ 2NO3 — +2NO3 —
в-ль; ок-е
ок-ль; в-е
3) (NO2 ) =
4) ; (Me) = = 0,0025 моль
5) M(Me) =
Этот металл – медь (валентность – II), выделяется на катоде из растворов солей, с HNO3 (конец) реагирует с выделением NO2 , что соответствует условию задачи).
Хлорид металла - CuCl2 – хлорид меди (II)
6) m(CuCl2 ) = (CuCl2 ) - M(CuCl2 )
(CuCl2 ) = (Cu) = 0,0025 моль
m(CuCl2 ) = 0,0025 моль - 135 г/моль = 0,34г
Ответ: CuCl2 ; m(CuCl2 ) = 0,34г
Задача № 9
1000г 5,1% - ного раствора нитрата серебра подвергнуто электролизу, при этом на катоде выделилось 10,8г вещества. Затем в электролизер добавили 500г 13,5% вещества. Затем в электролизер добавили 500г 13,5% -ного раствора хлорида меди (II). Полученный раствор снова подвергли электролизу до выделения на аноде 8,96л газа (н.у.). Определите массовые доли веществ в конечном растворе.
Решение
mр-ра Ag NO3=1000г
= 5,1%
m(Ag) = 10,8г
mр-ра (CuCl2 )=13,5%
V(Cl2) = 8,96л
н.у.
(в-в) -?
раствор
1) AgNO3 = Ag+ + NO3 –
( H 2 O )
4 4 1 Ag+ +1Ag 0
1 4 2H2 O- 4O2 0 + 4H+
4Ag + + 2 H2 O 4Ag 0 +O2 0 + 4H+
+ 4NO3 — + 4NO3 —
на катоде : Ag + , H2 O
на аноде : NO3 – , H 2 O
mр-ра = 1000г
m=10,8
ί m = 10,8
4Ag NO3 + 2H2 O = 4Ag ↓ + O2 ↑ + 4HNO3 (1)
раствор М=108г/моль
М=170г/моль
4 моль 4моль
2) (Ag) =
3) (AgNO3 ) = (Ag) = 0,1моль
4) (AgNO3 ) =
5) = (AgNO3 ) – (AgNO3 ) = 0,3моль – 0,1моль = 0,2моль
Значит после реакции (1) в растворе остается 0,2моль AgNO3
6) Избыток AgNO3 в растворе выступит в реально с добавленным раствором
CuCl2 .
mр - ра = 500г
= 13,5%
2AgNO3 + CuCl2 = 2AgCl ↓ + Cu(NO3 )2 (2)
2моль М=135г/моль
1моль
7) По условию, при электролизе оставшегося раствора на аноде выделился газ
V=8,96л (н.у.)
раствор
CuCl2 = Cu2+ +2Cl–
(H2 O)
1 2 2 Cu2+ +2 Cu0
1 2 2 Cl– -2Cl2 0
2Cl– + Cu2+ Cl2 0 +Cu0
на катоде : Cu 2+ , H2 O
на аноде : Cl – , H2 O
ίV = 8.96л
CuCl2 = Cu↓ + Cl2 ↑ (3)
(H2O – раствор) Vm=22,4г/моль М
1 моль
8) Из (2): (CuCl2 ) =
9) (CuCl2 ) =
ÞCuCl2 – в избытке
10) (CuCl2 ) = (CuCl2 ) - (CuCl2 ) = 0,5моль – 0,1моль = 0,4моль
11) Из (3): (Cl2 ) =
12) (CuCl2 ) = (Cl2 ) = 0,4моль, значит весь CuCl, оставшийся в растворе после реакции (2), подвергся электролизу.
13) После всех процессов в электролизе останутся Cu(NO3 ) – из (2)
(Cu(NO3 )2 ) = (AgNO3 ) = = 0,1моль
m2 (Cu(NO3 )2 ) = 0,1моль - 188г/моль = 18,8г
14) mисход р-ра = m р-ра AgNO3 + m р-ра CuCl2 = 1000г + 500г = 1500г
15) mконеч р-ра = mисход р-ра – m1 (O2 ) – m3 (Cl2 ) – m3 (Cu) – m1 (Ag) – m2 (AgCl)
16) (O2 ) =
m1 (O2 ) = 0,025моль - 32г/моль = 0,8г; m1 (Ag) = 10,8г (по условию)
17) m3 (Cl2 ) = (Cl2 ) - М(Cl2 ) = 0,4моль - 71г/моль = 28,4г.
m3 (Cu) = (Cu) - М(Cu) = 0,4моль - 64г/моль = 25,6г
18) m2 (AgCl) = (AgCl) - М(AgCl) = 0,2моль - 143,5г/моль = 28,7г
19) mконеч р-ра = 1500г – 0,8г – 28,4г – 25,6г – 10,8г – 28,7г = 1405,7г
20)
Ответ:
VIII. Примеры решения задач на расчеты по законам электролиза М. Фарадея
Задача № 1
Через последовательно включенные в цепь постоянного тока растворы
нитрата серебра (I), сульфата меди (II) и хлорида золота (III) пропускали ток силой в течение 20 мин. Рассчитайте массы металлов, осевших на катоде.
Решение
р-ры Ag NO3
CuSO4
AuCl3
I = 5A
F = 20мин = 1200с
F = 96500 Кл/моль
m (Ag) - ?
m (Cu) - ?
m (Au) - ?
1) Все металлы, катионами которых образованы данные соли, находятся в ряду активности металлов «после водорода» в ряду активности металлов «после водорода», значит на катодах будет протекать реакция восстановления только металлов:
Ag+ + 1Ag 0 ; n=1, M(Ag) = 108 г/моль
Cu+ + 2Cu0 ; n=2, M(Cu) = 64 г/моль
Au+ + 3Au 0 ; n=3, M(Au) = 197 г/моль
2) По формуле объединенного закона электролиза:
m (в-ва) = вычисляем массы металлов:
m(Ag) =
m(Cu) =
m(Au) =
Ответ: m(Cu) = 2г , m (Ag) = 6,7г , m(Au) = 4г.
Задача № 2
Вычислить массу газа, выделившегося на аноде при электролизе раствора серной кислоты, производившегося в течение 10 мин при силе тока 1,5А.
Решение
р-р H2SO4
F = 10мин = 600с
I = 1,5 A
F = 96 500 Кл/моль
m (O2) - ?
1) См. схему реакции электролиза и электронные полуреакции в примере №10 (часть IV). Электролиз раствора серый кислоты сводится к электролизу воды:
ί
2H2 O = O2 ↓ + 2H2 ↑ ;
на аноде выделяется кислород: 2H2 O- 4 = O2 ↑+ 4H+ ;
значит n = 4
2) m(O2 ) =
Ответ: m(O2 ) = 0,075г
Задача № 3
При действии постоянного тока силой 6,4А на расплав соли трехвалентного металла на катоде в течение 30 мин выделилось 1,07г металла, а аноде – 1344мл. (н.у.) газа, относительная плотность паров которого по гелию составляет 17,75. Определите состав соли, расплав которой подвергли электролизу.
Решение
I = 6,4 A
F = 30мин = 1800с
m(Me) = 1,07г
V(газа) = 13,44 = 22,4л (н.у.)
соль - ?
на катоде : Me3+ + 3Me0
на аноде : - ?
1) По условию: ДНе (газа) = 17,75
Значит, M(газа) = ДНе (газа) -M(He) = 17,75 - 4г/моль =
71г/моль = M(Cl2 )
Значит, на аноде : 2Cl— - 2Cl2 0
2) По формуле объединенного закона электролиза:
M(Me) =
M(A1) = 27г/моль Значит, соль – хлорид аммония
Ответ: хлорид аммония.
Задача № 4
При прохождении через раствор сульфата никеля (II) тока силой 2А масса катода увеличилась на 2,4г. Рассчитайте время электролиза, если выход по току равен 0,8.
Решение
р-р NiSO4
I = 2 A
∆m = 2,4г
= 0,8
F - ?
1) По условию, масса катода увеличилась, значит, на катоде восстановился никель массой 2,4г.
mпр (Ni) = 2,4г ; mт (Ni) =
Ni2+ + 2Ni0
2) По формуле объединенного закона электролиза:
F=
Ответ: время электролиза составляет 4907с.