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+ + 2 Cu0 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+ + 2 Zn0 1 2 2Cl— - 2 Cl2 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(CuSO45H2O) -? раствор CuSO4 = Cu2+ + SO4 2– 2 4 2 Cu2+ + 2 Cu0 1 4 2H2 O - 4 O2 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+ +1 Эл0 2 2 2H– - 2 Н2 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+ +2 Me0 (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+ +1 Ag 0 1 4 2H2 O- 4 O2 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– -2 Cl2 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+ + 1 Ag 0 ; n=1, M(Ag) = 108 г/моль Cu+ + 2 Cu0 ; n=2, M(Cu) = 64 г/моль Au+ + 3 Au 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+ + 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 Cl2 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+ + 2 Ni0 2) По формуле объединенного закона электролиза: F = Ответ: время электролиза составляет 4907с.