Здравствуйте, уважаемые читатели!
В задачах на электролиз можно выделить ряд модификаций, определяющихся природой исходных веществ, соединением электролизеров, материалом электродов. В сегодняшней (авторской)задаче я бы хотела отметить следующие моменты:
- Задача - на электролиз раствора соли металла средней активности. Известно, что при этом на катоде возможно протекание двух конкурирующих процессов- восстановление металла и водорода. Поскольку целевым процессом является именно восстановление металла, на практике ( в гальванике) стараются электролиз проводить таким образом, чтобы выделение водорода было минимальным,
- В задаче необходимо будет найти выход по целевому веществу(W, %). Он равен отношению фактически полученной массы (или количества) целевого вещества к теоретической массе (количеству), которая могла бы быть получена, если бы все пропущенное через электролизер электричество затратилось только на выделение целевого продукта.
- В задаче использовано понятие "нуклоны", объединяющее протоны и нейтроны, частицы с практически одинаковой молярной массой, равной 1г/моль. Масса вещества равна сумме масс нуклонов (протонов и нейтронов), в него входящих.
- Характеристики всех частиц (нуклонов, протонов, электронов) заданы через количество структурных единиц, что обусловливает необходимость применения числа Авогадро на большинстве этапов вычисления.
- Остальные приемы расчета аналогичны описанным в предыдущих статьях.
Итак, задача:
Гептагидрат сульфата цинка, общее количество нуклонов в котором составляет 1,7277*10^25, растворили в воде. В результате получился раствор, в котором общее количество протонов составило 5,2856*10^25. Через раствор пропустили 6,02*10^22 электронов, при этом на катоде образовалось 3,01*10^22 атомов газа. Определите соотношение между нуклонами в конечном растворе и выход по цинку.
Решение
1.Найдем состав исходного раствора:
А)Найдем количество исходного ZnSO4:
n(нуклонов)=1,7277*10^25/6,02*10^23=28, 7 моль;
к нуклонам относят протоны и нейтроны, обладающие практически одинаковой молярной массой М=1г/моль, т.е m(нуклонов)=28,7 г;
m ZnSO4•7H2O= m (нуклонов)=28,7 г;
nисх(ZnSO4)=n(ZnSO4•7H2O)=28,7/287=0,1 моль
б)Найдем массу исходного раствора
nисх(ZnSO4)=0, 1 моль, пусть n(H2O)=х моль, тогда
nсумм (р)=(30+16+8*4)*0,1+(2+8)*х=7,8+10х.
Согласно условию n сумм (р)= 5,2856*10^25/6,02*10^23=87,8 моль
7,8+10х=87,8, откуда х=8 моль
mрра=0,1*161+18*8=160,1 г
2) Характеристика электролиза:
А)2ZnSO4 +2H2O ± 4e= 2Zn+ O2+ 2H2SO4(1)
2H2O± 4e=2H2+O2 (2)
Б)n2(H)= 3,01*10^22/6,02*10^23=0,05 моль, n2(H2)=0,5 n(H)= 0,025 моль;
n2(H2О)=0,025 моль; n2 e= 2 n(H2О)= 0,05 моль- затрачено на электролиз воды,
в) nсумм e =6,02*10^22/6,02*10^23=0,1 моль,
nсумм e = n1 e + n2 e, откуда n1 e=0,1-0,05=0,05 моль
г) n1 (ZnSO4)=0,5 n1 e=0,025 моль
n1 (Zn) =0,025 моль, n1 (H2SO4) =0,025 моль, n1 ( O2) =0,0125 моль.
3) Состав конечного раствора:
nнепрореаг (ZnSO4)=0,1-0,025=0,075 моль, nобраз (H2SO4) =0,025 моль,
m конечного рра= 160,1-0,025*65-0,0125*32-0,025*18=157,625 г
m H2O в рре= 157,625-0,075*161-0,025*98=143,1 г, n(H2O)=7,95 моль
4)Определим соотношение между нуклонами:
А)nсумм(р)=0,075*(30+16+4*8)+0,025*(2+16+4*8)+7,95*(2+8)=86,6 моль
m сумм(р)= 86,6г
б) m сумм(n)= 157,625 - 86,6=71,025г
nсумм(n)= 71,025/1=71,025 моль
в) nсумм(n): nсумм(р)= 71,025: 86,6=1:1,22
5) Определим выход по веществу:
а) Фактически выделилось цинка: n 1 (Zn)=n факт (Zn)=0,025 моль,
б)Должно было выделиться цинка, если бы все прошедшее через электролизер электричество (nсумм e = 0,1 моль) затратилось только на выделение металла:
n1 теор (Zn)=0,5n1сумм e=0,5*0,1=0,05 моль
в)W(по цинку) =100*n факт (Zn)/n теор (Zn)=100*0,025/0,05=50%.
6) Выход по веществу численно равен выходу по току, показывающему долю электричества, затраченного на получение необходимого продукта.
W( по току)=100*n1 e/n сумм e=100*0,05/0,1=50%
т.е., только 50% электричества затрачено на целевой продукт, остальные 50% - потери, ушедшие на образование нецелевого вещества - водорода.
Заранее благодарна за конструктивные замечания.
Всего доброго!