Методическое пособие
Примеры решения задач по реакциям электролиза
Задача №1
При электролизе 1лраствора хлорида меди (II) накатоде выделилась медь массой 12,7г. Вычислите объем газа (н.у.), выделившегосяна 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 –
/> (H2O)
/>на катоде: Cu2+, H2O(H+)
на аноде: Cl–, H2O
1 2 2 />Cu2+ + 2/>/>Cu0/>
1 2 />2Cl— — 2/>/>Cu20/>
/>Cu2++ 2Cl – Cu0+ Cl2
m=12,7г V-?
Cu Cl2 = 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 водногораствора нитрата серебра (I) нааноде выделилось 13,44л кислорода (н.у.). Определите массу выделившегося накатоде серебра, если выход серебра составил 90% от теоретически возможного, авыход кислорода – количественный.
Решение
Vпр (О2)=13,44л
(О2) = 100%
(Ag) = 90%
m ( Ag) — ?
раствор
AgNO3 =Ag2++NO3–
(H2O)
/>
/>на катоде: Ag+, H2O(H+)
на аноде: NO3–, H2O
/>/>4 4 2 />Ag2+ + 1/>/>Ag0 NO3—/>1 4 2H2O- 4/>/>O20+4H+
/>4Ag+ + 2H2O 4Ag0 + O20+ 4H+
+4NO3— +4NO3—
/>=90% />=100%
ί mпр=? Vпр = 13,44л
4AgNO3+2H2O = 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 водногораствора хлорида цинка на катоде выделился цинк массой 68,25г, а на аноде –хлор объемом 28,22л (н.у.). Определите выход цинка, если выход хлора составил90% от теоретически возможного.
Решение
mпр (Zn)=68,25г
Vпр (Cl2)=28,22л
(Cl2) = 90%
(Zn) — ?
раствор
ZnCl2 = Zn2++2Cl –
/>1 2 2 Zn2+ + 2/>/>Zn0/>
/>1 2 2Cl— — 2/>/>Cl20
/>Zn2+ + 2Cl— Zn0+Cl20
/> (H2O)
/> на катоде: Zn2+, H2O
на аноде: Cl–, H2O
/>= ?
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 выделилсякислород объемом 5,71 (н.у.), выход которого ставил 85% от теоретическивозможного.
Решение
Vпр(O2)=5.71л
(н.у.)
(О2) = 85%
m(CuSO45H2O) -?
раствор
CuSO4 = Cu2++ SO42–
/>2 4 2 Cu2+ + 2/>/>Cu0/>
/>1 4 2H2O — 4/>/>O20+ 4H+
/>2Cu2++ 2H2O 2Cu0+ O20 + 4H+
+2SO42- +2SO42–
/> (H2O)
на катоде: Cu2+, H2O
/>
на аноде: SO4–, H2O
m = ?
M = (CuSO4 5H2O) = 250г/моль
2CuSO4+ 2H2O = 2Сu↓ + O2↑+ 2H2 SO4
М=160 г/моль Vm=22,4 л/моль
2 моль 1 моль
1) m(CuSO4 5H2O) = />(CuSO4 5H2O) M(CuSO4 5H2O)
2) />(CuSO4 5H2O) = />(CuSO4)
3) />; />
4) />
5) />
6) />
7) />(CuSO4) = 0,3 моль 2 =0,6 моль = />(CuSO4 5H2O)
8) m(CuSO4 5H2O) = 0,6 моль 250 г/моль = 150г
Ответ: /> m(CuSO4 5H2O) = 150г.
Задача № 5
Через электролизер,содержащий раствор гидроксида калия объемом 300мл с массовой долей вещества22,4% (плотность 1,2 г/мл), пропустили электрический ток. Рассчитайте массовуюдолю гидроксида калия в растворе после отключения тока, если известно, что накатоде 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–(средащелочная)
/>2 4 2 2H2O+2/>/>H20+ 2OH—
/>1 4 4OH—-4/>/>O20+ 2H2O
/>4H2O+4OH— 2H20+4OH—+O20+2H2O
(H2O)
/>
на катоде: К+,H2O
/>
на аноде: OH–, H2O
ί V = 89,6л
2H2O = 2H↑ + O2↑ (1)
(р-р КОН) Vm=22,4 л/моль
2 моль
1) /> (КОН) – массовая доля щелочи в растворе после реакцииэлектролиза, которая зависит от содержания гидроксида калия в исходном растворе(она не изменяется в ходе электролиза) и массы воды, которая подвергласьэлектролизу.
/>(КОН) = />
2) mконечн. р-раКОН = mисход.р-раКОН – m1(H2O)
3) m1(H2O) = />1(H2O) M(H2O)
/>; />
m1(H2O) = 4моль 18 г/моль = 72г
4) mисход. р-раКОН = Vр-раКОН />= 300мл 1,2г/мл = 360г
5) mисход. (КОН) = />(КОН) mисход. р-раКОН = 0,224 360мл = 80,64г
6) />(КОН) />
Ответ: после электролиза />(КОН) = 0,28(28%)
Задача №6
При электролизе 16г.расплава некоторого соединения
водорода с одновалентнымэлементом 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, водородвыделяется на аноде, значит, его ионы имеют отрицательный заряд, а искомыйэлемент имеет положительный заряд. Ясно, что ЭЛН – гидрид.
расплав
/>2 2 1 Эл+ +1/>/>Эл0/>
/>2 2 2H– — 2/>/>Н20/>
/>2Эл+ + 2Н – 2Эл0+ Н20
/>Эл Н= Эл1++Н 1–
на катоде: Эл1+
/> на аноде: H 1–
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%-ногораствора сульфата меди (II) (плотность1,02г/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 реакцииэлектролиза и электронные полуреакции в задаче №4, часть VII
/>= 1,02 г/мл
Vр-ра=400мл
/> Ñmр-ра = 10г />
ί m —? m —? />
2CuSO4+ 2H2O = 2Сu↓ + O2↑+ 2H2 SO4 (1)
раствор М=64г/моль М=32г/мольМ=98 г/моль
М=160 г/моль Vm=22,4 л/моль
2 моль 2моль 1 моль 2моль
1) mр-раCuSO4 = Vр-ра/>= 400мл 1,02г/мл = 408г =mр-ра до реакции
2) />(CuSO4 ) = />
3) По условию процесспродолжается до тех пор, пока масса не уменьшилась на 10г, значит на электродахвыделилось 10г веществ – меди и газообразного кислорода.
4) По уравнению реакции: />
Пусть 1 часть продуктов (Cu и О2) содержит х мольвещества,
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(H2SO4)=/>(H2SO4) М(H2SO4)
7) />(H2SO4) = />(Cu) =2 0.0625моль = 0,125 моль
8) m1(H2SO4) = 0,125 моль 98 г/моль = 12,25г
9) mобщ. (CuSO4) = mр-раCuSO4 />(CuSO4) = 408г 0,06 = 24,48г
10) m1(CuSO4)= />(CuSO4) М(CuSO4)
/>(CuSO4) />(Cu) =2 0,0625моль = 0,125 моль
m1(CuSO4) = 0,125моль 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) />(Н2SO4) = />/>/>0,0308 (3,08% Н2SO4 в оставшемся растворе)
Ответ: /> На электродахвыделилось: m(Cu) = 8г; m(O2) = 2г; в оставшемся растворе: />(CuSO4) =0,0112 (1,12%)
/>(Н2SO4) = 0,0308 (3,08%)
Задача № 8
При электролизе растворахлорида металла катион которого двухзаряден, на катоде выделилось 0,16гметалла. При растворении этой массы металла в концентрированной азотной кислотевыделился бурый газ объемом 0,112 (н.у.) Определите состав хлорида и его массув растворе.
Решение
II
MeCl2
m(Me) = 0,16г
m(NO2)= 0,112л
н.у.
MeCl2 — ?
m(NCl2) — ?
1) По условию, на катодевыделяется чистый металл, значит этот металл может находиться в ряду активностиметаллов «после водорода» раствор
MeCl2 = Ме2++ 2Cl– m=0,16г
/>1 2 2 Me2+ +2/>/>Me 0(поусловию)
/>1 2 2Cl— — 2/>/>Cl 0
/>Me2+ + 2Cl— Me0 +Cl0
/>(H2O)
на катоде: Me2+, H2O (H+)
/>
на аноде: Cl–, H2O
2) По условию реакции (1)нельзя однозначно вычислить />(MeCl2), так какв условии задачи нельзя не говорится о том, что процесс электролиза прошел доконца, поэтому основные расчеты проводим по уравнению реакции (2)
ί m =0,16г
MeCl = Me ↑+ Cl2↓ (1)
(H2O)
m = 0,16г II V =0,112л
Me + 4HNO3= Me(NO3) + 2NO2↑ + 2H2O2 (2)
1 моль (конц.) (поусловию)
Vm=22,4л/моль
2 моль
/>1 2 2 Me0+2/>/>Me 2+
/>2 1 2 NO3— + 2Н+ + />/> NO20+ H2O
/>Me0 + 2NO3—+ 4Н+ Me2+ +2NO20 + 2H2O
+ 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% — ногораствора нитрата серебра подвергнуто электролизу, при этом на катоде выделилось10,8г вещества. Затем в электролизер добавили 500г 13,5% вещества. Затем вэлектролизер добавили 500г 13,5% -ного раствора хлорида меди (II). Полученныйраствор 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) Ag NO3 = Ag ++ NO3–
/> (H2O)
/>4 4 1 Ag+ +1/>Ag0
1 4 2H2O- 4/>O20+ 4H+
/>4Ag+ + 2 H2O 4Ag0 +O20+ 4H+
+ 4NO3— + 4NO3—
/>на катоде: Ag +, H2O
на аноде: NO3–, H2O
/>mр-ра = 1000г
/> m=10,8
ί m= 10,8
4Ag NO3 +2H2O = 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 сдобавленным раствором
CuCl2.
mр-ра = 500г
/> />= 13,5%
2AgNO3+ CuCl2 = 2AgCl ↓ + Cu(NO3)2 (2)
2моль М=135г/моль
1моль
7) По условию, при электролизеоставшегося раствора на аноде выделился газ
V=8,96л (н.у.)
раствор
CuCl2 = Cu2++2Cl–
(H2O)
/>1 2 2 Cu2+ +2/>Cu0
/>1 2 2 Cl–- 2/>Cl20
/>2Cl– + Cu2+ Cl20 +Cu0
/>
/>на катоде: Cu2+, H2O
на аноде: Cl–, H2O
ί V = 8.96л
CuCl2 = Cu↓+ Cl2↑ (3)
(H2O – раствор) Vm=22,4г/моль М
1 моль
8) Из (2): />(CuCl2) = />
9) />(CuCl2) = />
Þ CuCl2 – 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), подвергсяэлектролизу.
13) После всех процессов в электролизеостанутся 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 = mисходр-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(Ag Cl) = />(Ag Cl) М(Ag Cl) = 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 позаконам электролиза М. Фарадея
Задача № 1
Через последовательновключенные в цепь постоянного тока растворы
нитрата серебра (I),сульфата меди (II) и хлорида золота (III) пропускали ток силой в течение 20мин. 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, катионамикоторых образованы данные соли, находятся в ряду активности металлов «послеводорода» в ряду активности металлов «после водорода», значит на катодах будетпротекать реакция восстановления только металлов:
/>Ag+ + 1/>Ag0; n=1, M(Ag) = 108 г/моль
/>Cu+ + 2/>Cu0; n=2, M(Cu) =64 г/моль
/>Au+ + 3/>Au0; n=3, M(Au) =197 г/моль
2) По формулеобъединенного 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 реакцииэлектролиза и электронные полуреакции в примере №10 (часть IV). Электролизраствора серый кислоты сводится к электролизу воды:
ί
2H2O = O2↓ + 2H2↑ ;
на аноде выделяетсякислород: 2H2O- 4/>= O2 ↑+ 4H+;
значит n = 4
2) m(O2) = />
Ответ: m(O2) = 0,075г
Задача № 3
При действии постоянноготока силой 6,4А на расплав соли трехвалентного металла на катоде в течение 30мин выделилось 1,07г металла, а аноде – 1344мл. (н.у.) газа, относительнаяплотность 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: Me 3+ + 3/>Me0
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— — 2/>Cl20
2) По формуле объединенного законаэлектролиза:
M(Me) = />
M(A1) = 27г/моль Значит, соль – хлорид аммония
Ответ: хлорид аммония.
Задача № 4
При прохождении черезраствор 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, массакатода увеличилась, значит, на катоде восстановился никель массой 2,4г.
mпр(Ni) = 2,4г; mт(Ni) = />
/>Ni2+ + 2/>Ni0
2) По формулеобъединенного закона электролиза:
F/>= />
Ответ: время электролизасоставляет 4907с.