Здравствуйте, уважаемые читатели!
Сегодняшнюю статью я опять посвящаю задачам на электролиз. Немного предыстории:
Задачи на электролиз впервые появились на ЕГЭ по химии, если не ошибаюсь, в 2018 году. Их характеризовал достаточно простой химизм : электролиз растворов солей , катионы которых представлены как сильными , так и слабыми металлами, анионы - кислотными остатками кислородсодержащих и бескислородных кислот. Основой для количественной характеристики электролиза являлось изменение массы раствора или количество(масса, объем) продуктов электролиза. Особенностью задач 2018 года было то, что разлагалась только соль (полностью или частично).
Типичный пример задачи реального ЕГЭ-2018:
"Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 340 г 20%-ного раствора нитрата серебра. После того как на аноде выделилось 1,12 л (н.у.) газа, процесс остановили. Из полученного раствора отобрали порцию массой 79,44 г. Вычислите массу 10%-ного раствора хлорида натрия, необходимого для полного осаждения ионов серебра из отобранной порции раствора".
2019 год был "апофеозом" задач на растворимость. А вот в 2020 задачи на электролиз появились снова. Их отличало от задач 2018 года то, что в процесс электролиза вступала сперва вся соль, а затем - частично разлагалась вода ("электролиз с перелетом")
Типичный пример задачи реального ЕГЭ-2020:
"Через 390 г 15%-ного раствора хлорида натрия пропускали электрический ток до тех пор, пока масса раствора не уменьшилась на 42 г. К образовавшемуся раствору добавили 160 г 20%-ного раствора сульфата меди(II). Определите массовую долю воды в полученном растворе и массу газов, выделившихся на аноде".
2021 год принес качественно иные 34-е задачи, вобравшие в себя усложнения предыдущих лет. Это в полной мере коснулось и задач на электролиз. Прежде всего, в задачах стал рассматриваться электролиз солей металлов средней активности, включающий в себя параллельные процессы электролиза соли и воды. Своеобразными "украшениями" задач служили кристаллогидраты, растворимость, неявно выраженная "атомистика".
Примеры задач реального ЕГЭ-2021 (на электролиз)
1.Через 520 г 16,1%-ного раствора сульфата цинка пропускали электрический ток до тех пор, пока объём газа, выделившегося на катоде, не оказался равным объёму газа, выделившегося на аноде. При этом получили раствор, в котором массовая доля сульфата цинка составила 10,3%. К полученному раствору добавили 212 г 10%-ного раствора карбоната натрия. Вычислите массовую долю сульфата цинка в конечном растворе (особенность- в химизме: параллельные процессы электролиза соли и воды)
2.Образец кристаллогидрата нитрата меди(II) разделили на две равные части. Первую часть добавили к избытку раствора иодида калия, в результате чего в осадок выпало 38,2 г соли. Вторую часть растворили в 172 г воды и провели электролиз полученного раствора с использованием инертного анода. Электрический ток пропускали до полного выделения металла на катоде. При этом образовался раствор с массовой долей растворённого вещества 11,71%. Определите формулу кристаллогидрата. (Особенность - использование кристаллогидратов)
3.Через 522 г 10%-ного раствора нитрата бария пропускали электрический ток до тех пор, пока на катоде не выделилось 94,08 л (н.у.) газа. К образовавшемуся раствору добавили насыщенный раствор, приготовленный при комнатной температуре растворением 100 г медного купороса (CuSO4 ∙ 5H2O) в необходимом количестве воды. При этом массовая доля сульфата меди(II) в растворе уменьшилась в 4 раза. Вычислите растворимость безводного сульфата меди(II) при комнатной температуре (в г на 100 г воды).(Особенность - кристаллогидраты и растворимость).
Усложнение задач на электролиз в 2021 году было несомненным, но тем не менее, оно, на мой взгляд, носило, в большей степени экстенсивный характер. Т.е, отличалось не принципиальной новизной в подходах к решению, а увеличением количества типовых усложнений. Кристаллогидраты, растворимость, атомистика часто встречаются в расчетных задачах ЕГЭ по химии .
В данной статье мне бы хотелось обратить внимание на задачи, связанные с протеканием процессов в последовательно соединенных электролизерах, алгоритм решения которой незначительно, но принципиально отличался от вышеупомянутых задач 2018, 2020 гг.
Итак, последовательный электролиз:
Задача взята из подборки И.С.Ермолаева (https://repetitors.info/backoffice/f.php?t=107256)
Через последовательно соединённые электролизёры, заполненные растворами сульфата меди(II) и хлорида калия, пропускали электрический ток до тех пор, пока на одном из электродов не выделилось 76,8 г металла. При пропускании электрического тока через раствор хлорида калия не происходило выделение кислорода. Затем к раствору, полученному после прохождения тока через раствор хлорида калия, добавили 52 г цинка. При этом цинк растворился полностью. Определите массовую долю гидроксида калия в конечном растворе при условии, что масса раствора хлорида калия до электролиза составляла 800 г.
Особенность в решении подобного типа задач заключается в учете того, что при последовательном соединении электролизеров (проводников) сила тока во всех электролизерах (проводниках) одинакова. Сила тока неразрывно связана с количеством электронов, протекающих через электрическую цепь. Поэтому справедливо утверждение, что при последовательном соединении электролизеров количества электронов, принимающих участие в окислительно-восстановительных процессах в каждом электролизере, равны между собой. Это утверждение является базовым для количественной характеристики процессов электролиза. Ее проводят путем сопоставления количеств электронов, участвующих в конкретной реакции, с количествами веществ из той же реакции.
Итак, решение задачи:
1. Характеристика процессов электролиза:
А)(1) CuSO4+ H2O±2 e= Cu+0,5O2+ H2SO4
(2)2KCl+2H2O±2 e=H2+Cl2+2KOH
Пояснение: записываем уравнения электролиза в каждом электролизере, подбирая коэффициенты таким образом, чтобы количества электронов в каждой реакции были одинаковыми. Количества электронов берем из электродных процессов (здесь их не рассматриваю), знак"плюс-минус" означает, что в одном электролизере происходят два процесса, связанные с переходом электронов.
Б)n1(Cu)=76,8/64=1,2 моль
n1(е)=2 n1(Cu)= 2,4 моль
n1(е)= n2(е) = 2,4 моль
n2(е) = n2(KCl) = 2,4 моль
n2(KОН) = n2(KCl) = 2,4 моль
n2 (H2)= n2 (Cl2)=1,2 моль
Пояснение:для характеристики процессов во втором электролизере сперва находим количество выделившейся меди. Затем , на основании стехиометрии, определяем количество моль электронов, прошедших через первый электролизер. Столько же моль электронов пройдет и через второй электролизер. И далее, опять же на основе стехиометрии, по молям электронов, количественно характеризуем электролиз раствора хлорида калия.
2. Характеристика конечного рра:
А)n(Zn)=52/65=0,8 моль
Б) (3)Zn+2KOH+2H2O=H2+K2[Zn(OH)4]
n3(KOH)=2 n(Zn)=1,6 моль
nнепрореаг(KOH)=2,4-1,6=0,8 моль
б)m рра=800+52-1,2*2-1,2*71-0,8*2=762,8 г
W(KOH)=100*0,8*56/762,8=5,87%
Ответ: 5,87%
Как можно увидеть из приведенного решения, усложнение с "последовательным соединением электролизеров" достаточно легко разрешить. Базовым элементом при этом являются стехиометрические соотношения между количествами электронов, участвующих в процессе, и количеством реагентов.
Ниже я рассмотрю еще несколько задач на последовательно соединенные электролизеры. Задачи взяты из сборника И.Ю.Белавина.
Задача 1 (690).
Задача 2 (694)
Задача 3. (699)
Заканчивая статью, хочу отметить, что задачи на последовательное соединение электролизеров вполне решабельны и, вероятно, их можно ожидать в этом году, на ЕГЭ-2022. Тем более, что "первая ласточка" в виде подобной задачи уже появилась в сети в 2021 году.
Для тех, кто хотел бы освежить алгоритмы решения разных типов задач на электролиз, возможно, будет интересна следующая информация:
Мною сделана подборка задач на электролиз, включающая в себя 4 блока:
1.Задачи на электролиз растворов солей слабых металлов,
2.Задачи на электролиз растворов солей сильных металлов,
3. Задачи на электролиз растворов солей металлов средней активности,
4. Задачи на последовательное соединение электролизеров.
В подборку включены задачи со всеми возможными усложнениями(электролиз+кристаллогидраты, электролиз+пластинки, электролиз+атомистика, электролиз+растворимость....)
Подборка включает в себя 50 задач (тексты задач и решения, преимущественно в Word)
Задачи - из реальных пробников и сборников 2022 года, а также из сборника И.Ю.Белавина, отражающие основные тенденции содержания и алгоритмов решения.
Более подробно о подборке можно узнать, написав в ЛС по ссылке: https://vk.com/id363684368
Всего доброго!
