Растворы. Дисперсные системы 4 страница

6.4. При электролизе раствора данной соли металла током I, А, масса катода возросла на m г. Учитывая, что выход металла по току B_i, %, рассчитайте, какое количество электричества и в течение какого времени пропущено. Составьте схему электролиза.

Т а б л и ц а 6.4

Вариант	Формула соли	I, A	m, г	B_i(Me), %
	AuCl₃	0,3	0,92
	FeCl₂	0,9	0,77
	SnBr₂	2,1	0,84
	CuSO₄	0,79	0,62
	AgNO₃	1,94	0,31
Окончание табл. 6.4
	CdBr₂	3,79	0,88
	MnCl₂	1,12	0,94
	CoCl₂	1,5	1,12
	CrCl₃	2,11	1,18
	In(NO₃)₃	3,17	0,64
	SbF₃	0,99	0,77
	CdCl₂	1,77	0,84
	NiSO₄	1,1	0,12
	Co(NO₃)₂	0,9	0,2
	ReCl₃	1,94	0,91
1’	PdSO₄	2,03	1,17
2’	CdI₂	3,11	1,42
3’	SbCl₃	4,0	1,50
4’	CoSO₄	4,4	1,39
5’	CrBr₃	3,5	1,44
6’	InCl₃	4,4	1,61
7’	MnSO₄	2,1	0,92
8’	SnCl₄	1,1	0,89
9’	CdSO₄	1,8	0,97
10’	CrCl₂	1,9	0,95
11’	InBr₃	3,1	0,85
12’	PdCl₂	4,2	1,32
13’	Ni(NO₃)₂	1,7	1,43
14’	Cr(NO₃)₃	1,5	1,11
15’	CuCl₂	1,9	1,18

6.5. Установите, в какой последовательности вероятно восстановление на катоде при электролизе данных ионов, пользуясь значениями стандартных электродных потенциалов и перенапряжений. Объясните, когда возможно совместное восстановление металла и водорода на катоде. Чем отличается последовательность электрохимических реакций на аноде от аналогичной последовательности на катоде?

Т а б л и ц а 6.5

Вариант	Ионы	Вариант	Ионы
	Zn²⁺,Ag⁺,Pb²⁺,Cr³⁺,H⁺	1’	Nd³⁺,Sn⁴⁺,Cr²⁺,Ni²⁺,H⁺
	Mn²⁺,Co²⁺,Fe²⁺,Cd²⁺,H⁺	2’	In³⁺,Fe³⁺,Zn²⁺,Pb²⁺,H⁺
	H⁺,Cu²⁺,Sn²⁺,Au³⁺,Sb³⁺	3’	Cr³⁺,Mo²⁺,Fe²⁺,Cd²⁺,Sn²⁺
	Re³⁺,Pd²⁺,Sn⁴⁺,H⁺,Cu²⁺	4’	Au³⁺,Re³⁺,Sn⁴⁺,H⁺,Cd²⁺
Окончание табл. 6.5
	H⁺,Cr²⁺,Ni²⁺,In³⁺,Fe³⁺	5’	Zn²⁺,Ag⁺,Cr³⁺,Fe³⁺,H⁺
	H⁺,Zn²⁺,Pb²⁺,Mn²⁺,Fe²⁺	6’	Au³⁺,Sb³⁺,Sn⁴⁺,H⁺,Fe³⁺
	Cu²⁺,H⁺,Au³⁺,Re³⁺,Pb²⁺	7’	Fe³⁺,In³⁺,Ni²⁺,Cr²⁺,H⁺
	Sn⁴⁺,Ni²⁺,Fe³⁺,H⁺,Cr²⁺	8’	Sn⁴⁺,Re³⁺,Sb³⁺,H⁺,Ni²⁺
	Zn²⁺,Cr³⁺,Fe²⁺,Sn²⁺,H⁺	9’	Au³⁺,Cu²⁺,Cd²⁺,Fe²⁺,H⁺
	Re³⁺,Sn⁴⁺,In³⁺,Fe³⁺,H⁺	10’	Mn²⁺,Cr³⁺,Pb²⁺,H⁺,Zn²⁺
	Zn²⁺,Mn²⁺,Cu²⁺,Re³⁺,H⁺	11’	Ag⁺,Cd²⁺,Pd²⁺,Fe³⁺,H⁺
	Cr²⁺,Fe³⁺,H⁺,Zn²⁺,Ag⁺	12’	Zn²⁺,Co²⁺,Au³⁺,Sn⁴⁺,H⁺
	Pb²⁺,Cr³⁺,Mn²⁺,Co²⁺,H⁺	13’	Ag⁺,Co²⁺,Sn²⁺,Pd²⁺,H⁺
	Fe²⁺,Cd²⁺,Cu²⁺,Sn²⁺,H⁺	14’	Pb²⁺,Fe²⁺,Au³⁺,Nd³⁺,H⁺
	Au³⁺,Sb³⁺,Re³⁺,Pd²⁺,H⁺	15’	H⁺,Zn²⁺,Mn²⁺,Cu²⁺,Re³⁺

6.6. Проведите классификацию данных окислительно-вос-становительных реакций, составьте уравнения, рассчитайте и укажите вероятные направления их протекания.

1) Au + H₂SO₄ + HCl Au₂Cl₆ + H₂SO₃ + H₂O;

2) KСlO₃ (к) KCl (к) + O₂ (г);

3) Сl₂+ KOH KCl + KClO₃+ H₂O.

6.7. Для электродов, представленных в таблице, укажите типы – первого, второго рода или окислительно-восстановительные, рассчитайте электродные потенциалы при заданных условиях.

Cхема электрода	Сu⁺\| Cu⁰	AgCl \| Ag,Cl^-	Pt \| CuCl₂, CuCl
Условия
	Hg₂Cl₂ \| Hg, Cl^-	Hg₂O \| Hg, OH^-

6.8. Рассчитайте активность ионов Ni²⁺ в электролите гальванического элемента

Ni | NiSO₄, H₂O || ZnSO₄ | Zn,

если моль/л; Е = 0,5425 В. Составьте уравнение протекающей окислительно-восстановительной реакции в сокращен-ном ионном виде.

6.9. Рассчитайте ЭДС гальванического элемента, образованного оловом и свинцом в растворах перхлоратов

Sn | Sn(ClO₄)₂, H₂O || Pb(ClO₄)₂, H₂O | Pb,

если известно отношение активностей: . Составьте уравнение протекающей окислительно-восстановительной реакции в сокращенном ионном виде.

6.10. Исходя из схемы свинцового (кислотного) аккумулятора Pb | H₂SO₄| PbO₂, составьте уравнения реакций на электродах и уравнение окислительно-восстановительной реакции при разряде аккумулятора, выведите уравнение для расчета ЭДС. Рассчитайте ЭДС при моль/л, 1 моль/л.

6.11. В цинк-медноокисном элементе Zn | NaOH | CuO протекают различные реакции:

1) Zn + 2Cu(OH)₂ = ZnO + Cu₂O + 2H₂O;

2) Zn + Cu₂O = ZnO + 2Cu;

3) Zn + CuO = ZnO + Cu;

4) Zn + Cu(OH)₂ = ZnO + Cu + H₂O;

5) Zn + 2CuO = ZnO + Cu₂O.

Рассчитайте для каждой из них и, сравнив с экспериментальным значением ЭДС элемента 0,89 В, сделайте вывод, какая из реакций является основной.

6.12. В цинк-йодатном элементе положительная активная масса содержит 57,1 % KIO₃ и протекает реакция:

5Zn + 2KIO₃ + 6H₂SO₄ = 5ZnSO₄ + I₂ + K₂SO₄ + 6H₂O.

Cоставьте схему элемента. Рассчитайте величину положительной активной массы, необходимой для работы элемента в течение 4 ча-сов при силе тока 2 А, выходе по току 100 %.

6.13. В герметичном колодце установлен цинк-воздушный элемент Zn | KOH | O₂(С). Ток разряда 1 А, выход по току 1, содержание кислорода 21 %, объем колодца 0,21 м³. Рассчитайте, через какое время будет израсходовано 15 % кислорода в атмосфере колодца (условия нормальные).

6.14. По уравнениям реакций при разряде аккумуляторов составьте схемы электрохимических систем, рассчитайте

1) 2NiOOH + 2H₂O + Cd = 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂;

2) 2NiOOH + 2H₂O + Fe = 2Ni(OH)₂ + Fe(OH)₂;

3) 2NiOOH + Zn + H₂O = 2Ni(OH)₂ + ZnO.

6.15. По схемам реакций при разряде гальванических элементов составьте полные молекулярные уравнения, рассчитайте

1) SO₂Cl₂ + Li LiCl + SO₂ + S;

2) MnO₂ + Mg + H₂O MnOOH + Mg(OH)₂;

3) Mg + C₆H₄(NO₂)₂ + H₂O Mg(OH)₂ + C₆H₄(NHOH)₂.

6.16. Исходя из схем первых вариантов химических источников тока, составьте уравнения токообразующих реакций, рассчитайте :

1) элемент Даниэля-Якоби Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu;

2) элемент Даниэля-Якоби (вариант Якоби) Zn | NH₄Cl || CuSO₄ | Cu;

3) элемент Вольта Zn | H₂O | (Ag, Cu);

4) элемент Грене Zn | K₂Cr₂O₇, H₂SO₄ | (С);

5) элемент Бунзена Zn | H₂SO₄ | HNO₃ | (С).

6.17. Исходя из схем топливных элементов, составьте уравнения токообразующих реакций и рассчитайте

1) CH₃OH (Pt) | H₂SO₄ | O₂ (Pt);

2) N₂H₄ (Ni) | KOH | O₂ (C, Ag);

3) H₂ (Pt) | H₂SO₄ | O₂ (Pt);

4) CH₃OH (Pt) | KOH | O₂ (C, Ag);

5) H₂ (Ni) | KOH | O₂ (C, Ag).

6.18. Термоэлектрохимические циклы позволяют преобразовать тепловую энергию в электрическую без помощи тепловых машин, например, по реакции

CuCl₂ CuCl + ½ Cl₂.

Процесс (1) реализуется при Т > 500 ^оС, процесс (2) – в гальва-ническом (топливном) элементе при стандартных условиях. Для процесса (2) рассчитайте . Объясните, почему с повы-шением температуры начинается реакция (1)?

6.19. При работе гальванического элемента протекает реакция

Zn + Cu₂O = ZnO + 2Cu.

За 1 час работы элемента выделилось 0,45 г меди. Рассчитайте ток в цепи и массу растворившегося цинка. Выходы по току данных метал-лов равны 65 %.

6.20. Если соединить оксиды Ag₂O (т) и ZnO (т) внешней цепью и погрузить в водный раствор КОН, то в системе начинает протекать электрический ток. Составьте схему гальванического элемента, уравнение протекающей окислительно-восстановительной реакции, рассчитайте , укажите направление ее протекания.

6.21. При получении алюминия электролизом расплавов происходит электрохимическое сгорание углеродистых анодов

3С + 2Al₂O₃ = 3CO₂+ 4Al.

Выход по току СО₂ равен 60 %. Объем выделившегося оксида углерода (IV) 70 л (после пересчета к нормальным условиям). Рассчитайте количество пропущенного электричества и массу сгоревших анодов.

6.22. При электролитическом получении железного порошка ток был пропущен как через ванну с раствором FeSO₄, так и через последовательно соединенную с ней ванну с раствором CuSO₄. Количество осажденной меди составило 10,5 г. Рассчитайте количество пропущенного электричества и массу полученного железного порошка, если выхода по току: железа 70 %, меди – 95 %.

6.23. При электролитическом рафинировании меди регенерацию раствора CuSO₄ проводят электролизом с нерастворимыми анодами. Рассчитайте продолжительность процесса и массу осажденного металла, если при электролизе выделилось 500 мл О₂ (объем пере-считан к нормальным условиям), ток 2 А, выхода по току: кислорода 100 %, меди – 90 %.

6.24. При электролитическом хромировании протекают реакции

а) CrO₃ Cr + 1,5 O₂;

б) Cr⁶⁺ + 3 Cr³⁺;

в) Cr³⁺ Cr⁶⁺ + 3 ;

г) Н₂О Н₂ + ½ O₂.

Укажите анодные и катодные продукты этих реакций, рассчитайте массу хромового покрытия, полученного при токе 5 А, продол-жительности процесса 2 часа, выходе хрома по току 13 %.

6.25. За 40 минут цинкования при токе 34 А из раствора ZnSO₄ с растворимыми цинковыми анодами выделилось 1,2 л водорода (объем пересчитан к нормальным условиям). Рассчитайте выход цинка по току.

6.26. При вытравливании рисунка печатных плат протекают реакции

а) анодного травления: Cu + 3Cl^– CuCl + ;

б) химического травления: Cu + CuCl₂ + 4KCl 2K₂CuCl₃.

При токе 5 А, продолжительности процесса 2 часа, анодном выходе меди по току 90 % удалено 27,24 г металла. Рассчитайте долю анод-ной составляющей в травлении.

6.27. При оксидировании меди протекают следующие анодные реакции

Cu + 2OH^–= CuO + H₂O + 2 ;

4OH^–= O₂+ 2H₂O + 4 .

Объем выделившегося кислорода составил 0,9 л (после пересчета к нормальным условиям), выход кислорода по току 6 %. Рассчитайте количество пропущенного электричества и массу меди, израсходованной на образование оксидной пленки.

6.28. Для получения медных покрытий ток при электролизе водного раствора CuSO₄ меняют по закону

где Q = 1 A·ч – количество электричества, A·ч; (t+ 3) – время в часах, (t, ч).

Рассчитайте массу покрытия, полученного при продолжительности электролиза 2 часа, выходе меди по току 90 %.

6.29. При электролизе раствора NaCl с графитовыми электродами протекает реакция окисления графита на аноде

С + 4ОН^– СО₂ + 2Н₂О + 4 .

Рассчитайте расход анодно окислившегося графита, если при электролизе выделилось 36 л СО₂ (объем пересчитан к нормальным условиям), выход по току СО₂ 1,5 %. Какое количество электри-чества было пропущено?

6.30. При электролизе водного раствора MgCl₂ с графитовыми электродами на получение 120 л хлора (объем пересчитан к нор-мальным условиям) затрачено 12,5·10⁵ Кл. Рассчитайте выход хлора по току.

6.31. Для получения хлората натрия проводят электролиз, при котором протекает реакция

NaCl + 3H₂O = NaClO₃ + 3H₂.

Рассчитайте, какое количество NaClO3 можно получить при токе 15 А, если при электролизе выделяется 10 л водорода (объем пересчитан к нормальным условиям). Какова будет продолжи-тельность электролиза? Выход по току NaClO3 равен 70 %.

6.32. При электрохимическом получении перманганата калия протекает следующая реакция

K₂MnO₄ + H₂O KMnO₄ + KOH + ½ H₂.

При электролизе продолжительностью 3 часа выделилось 5 л водо-рода (объем пересчитан к нормальным условиям). Рассчитайте массу полученного KMnO4 и ток. Выход по току KMnO4 равен 70 %.

6.33. При электролизе раствора кислоты выделилось 15 л водо-рода. Рассчитайте ток, если продолжительность процесса составила 2 часа, температура 18 ^оС, давление 0,9891·10⁵Па, выход по току 100 %.

6.34. При электрохимическом получении пербората натрия протекает реакция

Na₂B₄O₇ + 2NaOH + 19H₂O = 4(NaBO₃·4H₂O) + 4H₂.

Рассчитайте массу полученного пербората натрия и продолжительность электролиза, если ток равен 20 А, объем выде-лившегося водорода составил 8,1 л, выход по току водорода 15 %.

6.35. Составьте уравнение химической реакции при электролизе раствора NaCl и рассчитайте, какое количество щелочи можно получить при токе 17,5 А, продолжительности процесса 1,5 часа, выходе по току 100 %.

6.36. На положительном электроде свинцового аккумулятора при разряде протекает реакция

PbO₂ + SO + 4H⁺ + 2 = PbSO₄ + 2H₂O.

На сколько изменилась масса положительного электрода, если аккумулятор разряжали током 50 А в течение 20 c?

6.37. При анодном растворении 50 г цинковой руды металл был полностью переведен в раствор за 1 ч при силе тока 10 А, выходе по току 60 %. Рассчитайте массу выделившегося металла и его содержание в руде.

6.38. Из раствора AgNO₃ полностью выделяется серебро при электролизе за 1 ч, при I = 1,5 A, B_i (Ag) = 0,8.

При каком токе надо вести электролиз, чтобы исходная концентрация раствора по ионам Ag⁺ уменьшилась вдвое в течение 15 мин? Выход по току принять тот же.

6.39. Определить степень окисления золота в растворе его хлорида, если известно, что при электролизе раствора током в 1 А за 4 мин выделилось 0,42 г золота при выходе металла по току 85 %.

6.40. При электролизе раствора NaOH графитовые аноды постепенно разрушаются по реакции

С + 2ОН → СО₂ + 2Н₂О + 4 .

Рассчитайте массу окислившегося графита и объем выделившегося СО₂ (условия нормальные) при I = 10 А, t = 2 ч, выходе по току графита 1,5 %.

ХИМИЯ МЕТАЛЛОВ

Решение типовых задач

Пример 7.1. Для тантала (Та) выпишите валентные электроны в нормальном и возбужденном состояниях, перечислите все теоретически возможные степени окисления, приведите формулы оксидов и гидроксидов для наиболее устойчивых степеней окисления, указав их окислительно-восстановительный и кислотно-основной характер.

Р е ш е н и е

Тантал № 73 (Та).

Валентные электроны тантала:

нормальное состояние

6 s

5 d; степени окисления: 0, 1+, 2+, 3+;

Возбужденное состояние

6 р

6 s

5 d; степени окисления: 0, 1+, 2+, 3+, 4+, 5+.

Оксиды: ТаО; Та₂О₃; Та₂О₅

основной амфотерный кислотный.

Гидроксиды: Та(ОН)₂; Та(ОН)₃.

Окислительно-восстановительные свойства:

Та⁺ может отдать 4 электрона и присоединить 1 электрон;

Та²⁺ может отдать 3 электрона и присоединить 2 электрона;

Та³⁺ может отдать 2 электрона и присоединить 3 электрона;

Та⁴⁺ может отдать 1 электрон и присоединить 4 электрона;

следовательно, все они могут быть восстановителями и окислителями;

Та⁵⁺ – безусловный окислитель, так как может только принимать электроны.

Пример 7.2. Запишите предполагаемое уравнение химической реакции взаимодействия меди с азотной кислотой (концентри-рованной). Уравняйте стехиометрические коэффициенты ионно-электронным методом. Рассчитайте Δ G ⁰ химической реакции и сделайте вывод о ее термодинамической вероятности без учета перенапряжения.

Р е ш е н и е

Cu + HNO₃ (конц) = Cu(NO₃)₂ + H₂O + NO₂↑

восст. окисл.

Cu⁰ – 2 Cu²⁺ (NO₃)^– + 2H⁺ + 1 NO₂ + H₂O
Cu + 2(NO₃)^– + 4H⁺ = Cu²⁺ + 2NO₂ + 2H₂O

2NO 2NO

Cu + 4HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O.

φ = + 0,34 В; φ = +0,77 В; Е ⁰ = φ – φ ;