Для успешного решения задача по уравнениям электролиза, Вам, прежде всего, нужно научиться писать эти уравнения. Тогда решение задач на электролиз сведется к решению задач по уравнению реакции, с некоторыми особенностями, которые я и намереваюсь обсудить в этой статье.
Только напомню, что
электролиз - это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита.
Для лучшего понимания процесса электролиза, предлагаю сначала посмотреть опыт по электролизу раствора сульфата меди (II):
Как показано в опыте количество вещества (в данном опыте меди) выделившегося на электроде прямо пропорционально количеству электричества q (q=I*t, где I - сила тока, t - время электролиза), пропущенного через раствор электролита (закон Фарадея).
То есть, чем дольше пропускаем ток, тем больше меди осядет на катоде. Как долго может продолжаться этот процесс? В данном эксперименте - пока не раствориться анод, так как он медный, а значит - растворимый. В этом случае цепь разомкнется и ток прекратиться.
А если взять угольные электроды? Как долго можем проводить эксперимент и сколько меди получим? На вторую часть вопроса, с точки зрения химика, ответить легко - максимальное количество моль меди выделившееся на каноде равно количеству моль сульфата меди (II) в растворе, так как процесс проходит согласно уравнению реакции:
CuSO4 + 2Н2О = Сu + H2SO4 + O2
А на первую часть вопроса, как долго можем проводить эксперимент, ответить сложнее. Но давайте попробуем, не прибегая к расчетам, проанализировать этапы прохождения процесса электролиза и понять, на каком этапе электролиз прекратился, с точки зрения химии.
На первом этапе - ток пропускаем непродолжительное время, и как результат в растворе остается непрореагировавший сульфат меди (II).
На втором этапе - ток пропускали ровно столько, чтобы весь сульфат меди прореагировал. Процесс электролиза сульфата меди прошел до конца.
На третьем этапе - ток продолжаем пропускать и после того как весь сульфат меди прореагировал. Будет ли проходить электролиз? Да, будет. Проходит электролиз воды (точнее, электролиз раствора серной кислоты, в данном конкретном случае):
2Н2О = 2Н2 + О2
На четвертом этапе – ток пропускаем уже через концентрированный раствор серной кислоты (большая часть воды из раствора разложилась). Проходит электролиз концентрированного раствора серной кислоты (но эта реакция уже вне рамок школьного курса химии, как и последующие возможные превращения образовавшихся веществ).
То есть, с точки зрения химика, электролиз можно проводить до тех пор, пока не разложатся все вещества содержащиеся в растворе.
В задачах школьного курса химии, рассматриваются только процессы, описанные как первые три этапа электролиза. И на основании этих трех случаев электролиза решим небольшие расчетные задачи.
1. Через 200 г раствора сульфата меди (II), содержащего 4 мас.% CuSO4, некоторое время пропускали постоянный ток. Выделилось 0,448 л газа (н.у.). Определите концентрации веществ в мaс.% в полученном растворе.
Запишем уравнение реакции:
CuSO4 + 2Н2О = Сu + H2SO4 + O2
Находим массу сульфата меди (II) в растворе: m(CuSO4 ) = 200*0,04 = 8 г
Количесвто моль CuSO4 : n(CuSO4)исход. = 8/160 = 0,05 моль.
Количество моль газа: n(газ) = 0,448 /22,4 = 0,02 моль.
Согласно уравнению реакции, если бы разложился весь сульфата меди (II) (0,05 моль), то выделилось бы 0,05 моль газа - кислорода.
Поскольку, n(газ) = 0,02 < 0,05, то не весь сульфата меди (II) прореагировал.
n(CuSO4)прореаг. = n(газ) =0,02 моль.
В растворе осталось: n(CuSO4)конеч. = n(CuSO4)исход. - n(CuSO4)прореаг. = 0,05 - 0,02 = 0,03 моль.
Кроме того, в результате реакции образовались серная кислота:
n(H2SO4) = n(газ) = 0,02 моль и медь: n(Cu) = n(газ) = 0,02 моль.
Таким образом, в растворе присутствуют два вещества: сульфат меди и серная кислота.
m(CuSO4)конеч. = n(CuSO4)конеч*М = 0,03* 160 = 4,8 г
m( H2SO4)конеч. = n(H2SO4)*М = 0,02* 98 = 1,96 г.
Масса раствора:
m(p-pa)конеч.= m(p-pa)исх. - (Сu) - m(O2)=200 - 0,02*64-0,02*32 = 198,08 г.
Массовые доли растворенных веществ:
w(CuSO4 ) = m(CuSO4 )конеч./m(p-pa)конеч. = 4,8/198,08 = 0,024 (2,4%)
w( H2SO4 ) = m( H2SO4 )конеч./m(p-pa)конеч. = 1,96/198,08 = 0,01 (1%).
2. Через 200 г раствора сульфата меди (II), содержащего 4 мас.% CuSO4, пропускали постоянный ток, до тех пор пока масса раствора не уменьшилась на 4,8 г. Определите концентрации веществ в мaс.% в полученном растворе.
Уравнение реакции:
CuSO4 + 2Н2О = Сu + H2SO4 + O2
Масса сульфата меди (II) в растворе: m(CuSO4) = 200*0,04 = 8 г
Количество моль CuSO4: n(CuSO4)исход. = 8/160 = 0,05 моль.
Как видно из уравнения реакции, масса раствора должна была уменьшиться за счет меди, осевшей на катоде и кислорода - выделившегося на аноде. Если бы указанные вещества выделялись в тех количествах, что указаны в уравнении реакции, то масса раствора уменьшилась бы на: 64 + 32 = 96 г. Но поскольку, масса раствора уменьшилась только на 4,8 г, то n(Cu)=n(O2) = 4,8/96 =0,05 моль. (К этому же результату можем прийти, решив уравнение: 64х + 32х = 4,8, где х - количество моль меди).
Так как n(CuSO4) = n(Cu) = 0,05 моль, то очевидно, что весь сульфат меди прореагировал. А в растворе осталась только серная кислота, количеством вещества 0,05 моль.
Масса серной кислоты: m(H2SO4) = 0,05*98 = 4,9 г.
- Масса раствора: m(p-pa)конеч. = 200 - 4,8 = 195,2 г.
Массовая доля растворенного вещества:
w( H2SO4 ) = m(H2SO4 )конеч./m(p-pa)конеч. = 4,9/195,2 =0,0251 (2,51%).
3. При проведении электролиза 200 г раствора сульфата меди (II), содержащего 4 мас.% CuSO4, процесс прекратили, когда на аноде выделилось 2,24 л газа. Определите концентрации веществ в мaс.% в полученном растворе.
Уравнение реакции: CuSO4 + 2Н2О = Сu + H2SO4 + O2
Масса сульфата меди (II) в растворе: m(CuSO4 ) = 200*0,04 = 8 г. Количество моль CuSO4: n(CuSO4)исход. = 8/160 = 0,05 моль.
Количество моль газа, выделившегося на аноде:
n(газ) = 2,24/22,4 = 0,1 моль.
Согласно уравнению реакции, из 0,05 моль CuSO4 образуется 0,05 моль O2.
То есть, весь CuSO4 прореагировал, да еще дополнительно разложилась вода, дав 0,05 моль газа на аноде. Уравнение реакции разложения воды:
2Н2О = 2Н2 + О2
n(O2)разлож.воды = 0,1- 0,05 = 0,05 моль.
Таким образом, растворенным веществом является только серная кислота, образовавшаяся в результате электролиза раствора сульфата меди (II).
Количество моль серной кислоты: n(H2SO4) = n(CuSO4) = 0,05 моль.
Масса серной кислоты: m(H2SO4) = 0,05*98 = 4,9 г.
Масса раствора:
m(p-pa)конеч.= m(p-pa)исх.-m(Сu) - m(O2) - m(H2)разлож.воды- m(O2)разлож.воды = 200 - 0,05*64-0,05*32-2*0,05*2-0,05*32 = 193,4 г.
Массовая доля растворенного вещества:
w( H2SO4 ) = m( H2SO4 )конеч./m(p-pa)конеч. = 4,9/193,4 = 0,0253 (2,53%).
На простых примерах мы разобрали решения задач на отдельные случаи процессов электролиза. А теперь решим две 34 задачи, по реакцям электролиза.
Первая задача, на неполный электролиз растворенного вещества с отбором порции раствора.
Условие задачи:
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 360 г 15%-ного раствора хлорида меди(II). После того как на аноде выделилось 4,48 л (н.у.) газа, процесс остановили. Из полученного раствора отобрали порцию массой 66,6 г. Вычислите массу 10%-ного раствора гидроксида натрия, необходимого для полного осаждения ионов меди из отобранной порции раствора.
Решение:
Еще одна задача по реакции электролиза с дополнительным электролизом воды.
Условие задачи:
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 234 г 20%-ного раствора хлорида натрия. После того как на катоде выделилось 11,2 л (н.у.) газа, процесс остановили. К образовавшемуся в процессе электролиза раствору добавили 160 г 20%-ного раствора сульфата меди(II). Определите массовую долю щёлочи в полученном растворе.
Решение:
А вот задачи для самостеятельного решения.
1. Электролиз 282 г 40%-ного раствора нитрата меди (II) остановили после того, как на аноде выделилось 6,72 л газа. К образовавшемуся раствору добавили 140 г 40%-ного раствора гидроксида натрия. Определите массовую долю щелочи в полученном растворе. [3,5%]
2. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 372,5 г 20%-ного раствора хлорида калия. После того как масса раствора уменьшилась на 29,2 г, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 162,5 г 20%-ного раствора хлорида железа(III). Определите массовую долю хлорида калия в полученном растворе.[13,6%]
3. При проведении электролиза 340 г 20%-ного раствора нитрата серебра (I) процесс прекратили, когда на аноде выделилось 11,2 л газа. Из полученного раствора отобрали порцию массой 79,44 г, а к оставшемуся раствору прибавили 145,75 г 16% раствора карбоната натрия. Определите массовую долю карбоната натрия в полученном растворе. [0,5%]
4. Через 640 г 15%-ного раствора сульфата меди(II) пропускали электрический ток до тех пор, пока на аноде не выделилось 11,2 л (н.у.) газа. К образовавшемуся раствору добавили 665,6 г 25%-ного раствора хлорида бария. Определите массовую долю хлорида бария в полученном растворе. [3,7%]
Успехов в решении задач на электролиз!