Реферат: Примеры решения задач по реакциям электролиза

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— — 2Cu20

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+ + 1Ag0NO3— 1 4 2H2 O- 4O20+4H+

4Ag+ + 2H2 O4Ag0 + O20 + 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— — 2Cl20

Zn2+ + 2Cl— Zn0+Cl20

(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(CuSO45H2O) -?

раствор

CuSO4 = Cu2+ + SO42–

2 4 2 Cu2+ + 2Cu0

1 4 2H2 O — 4O20+ 4H+

2Cu2+ + 2H2 O 2Cu0 + O20 + 4H+

+2SO42- +2SO42–

(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 +2H20+ 2OH—

1 4 4OH— — 4O20+ 2H2 O

4H2 O +4OH — 2H20 +4OH — +O20+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 = Vр-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– — 2Н20

2Эл+ + 2Н – 2Эл0+ Н20

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— — 2Cl 0

Me2+ + 2Cl— Me0 +Cl0

(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+2Me 2+

2 1 2 NO3— + 2Н+ + NO20+ H2 O

Me0 + 2NO3— + 4Н+ Me2+ +2NO20+ 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–

(H2O)

4 4 1 Ag+ +1Ag0

1 4 2H2 O- 4O20+ 4H+

4Ag+ + 2 H2 O 4Ag0 +O20+ 4H+

+ 4NO3— + 4NO3—

на катоде: Ag +, H2 O

на аноде: NO3–, H 2 O

mр-ра = 1000г

m=10,8

ίm= 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+ +2Cu0

1 2 2 Cl– -2Cl20

2Cl– + Cu2+ Cl20 +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 = mр-ра AgNO3 + mр-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+ + 1Ag0; n=1, M(Ag) = 108 г/моль

Cu+ + 2Cu0; n=2, M(Cu) = 64 г/моль

Au+ + 3Au0; 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— — 2Cl20

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.