Примеры электролиза растворов электролитов

Рассмотрим несколько примеров электролиза растворов:

- электролиз водного раствора иодида калия с инертными электродами:

	KJ, H2O
	­¯
(-) К	K+ + J-	® А(+)
система: K+, H2O		система: J -, H2O
2H2O + 2ē ® H2­+2OH-		2J‾ – 2ē ® J2
	К:	2H2O + 2ē ® H2­+2OH-
	А:	2J‾ – 2ē ® J2
	Суммарно:	2H2O + 2J‾ = H2­+2OH- + J2
		эл. ток
		2KJ + 2H2O = H 2 ­+2KOH + J2
		на катоде на аноде

- электролиз водного раствора нитрата меди (II) с инертными электродами:

	Cu(NO3)2, H2O
	­¯
(-) К	Cu2+ + 2NO3-	® А(+)
система: Cu2+, H2O		система: NO3 -, H2O
Cu2+ + 2ē ® Cu		2H2O – 4ē ® O2­ + 4H+
	К:	Cu2+ + 2ē ® Cu
	А:	2H2O – 4ē ® O2­ + 4H+
	Суммарно:	2Cu2+ + 2H2O = 2Cu + O2­ + 4H+
		эл. ток
		2Cu(NO3)2 + 2H2O = 2Cu + O2­ + 4HNO3
		на катоде на аноде

 

 

- электролиз водного раствора сульфата меди (II) с медными электродами:

	CuSO4, Cu, H2O
	­¯
(-) К	Cu2+ + SO42-	® А(+)
система: Cu2+, H2O		система: Cu, SO42-, H2O
Cu2+ + 2ē ® Cu		Cu - 2ē ® Cu2+
	К:	Cu2+ + 2ē ® Cu
	А:	Cu – 2ē ® Cu2+
		эл. ток
	Суммарно:	Cu2+ + Cu = Cu + Cu2+
		на катоде на аноде

 

 

- электролиз водного раствора сульфата цинка с инертным анодом:

	ZnSO4, Zn, H2O
	­¯
(-) К	Zn2+ + SO42-	® А(+)
система: Zn2+, H2O		Система: SO42-, H2O
Zn2+ + 2ē ® Zn 2H2O + 2ē ® H2­+2OH-		2H2O – 4ē ® O2­ + 4H+
	К:	Zn2+ + 2ē ® Zn 2H2O + 2ē ® H2­+2OH-
	А:	2H2O – 4ē ® O2­ + 4H+
	Суммарно:	Zn2+ + 4H2O = Zn + H2­+2OH- + O2­ + 4H+
		эл. ток
		ZnSO4 + 2H2O = Zn + H2­ + O2­ + 2H2SO4
		на катоде на аноде

Законы Фарадея

Поскольку прохождение электрического тока при электролизе связано с химическими превращениями, то существует определенная зависимость между количеством электричества и количеством прореагировавшего вещества. Эта зависимость была установлена М. Фарадеем (1833-1834).

Первый закон Фарадея устанавливает прямую пропорциональность между количеством прошедшего через систему электричества и количеством прореагировавшего вещества: масса вещества (m) выделенная на электроде электрическим током, пропорциональна количеству электричества (Q), прошедшего через электролит:

m = K_Э·I·τ = K_Э·Q,

где I – сила тока, А;

τ – время прохождения тока, с.

Коэффициент пропорциональности K_Э называется электрохимическим эквивалентом. Он показывает количество прореагировавшего вещества при прохождении одного кулона электричества:

K_Э = М_ЭК/F,

где М_ЭК – масса молярного эквивалента вещества, г/моль экв;

F – Постоянная Фарадея, равная 9,65×10⁴ Кл/моль экв.

Таким образом, масса вещества, образующегося при электролизе, может быть вычислена по формуле:

m =	МЭК ·I·τ	,
F

На практике, вследствие протекания побочных процессов электролиза, на электродах выделяется меньше вещества по сравнению с расчетным по количеству прошедшего через раствор электричества. Отношение количества фактически полученного продукта (m_опыт.) к теоретическому (m_теор.), выраженное в процентах, называется выходом по току η:

η =	mопыт.	·100%.
mтеор.

Согласно второму закону Фарадея массы различных веществ, выделенных одним и тем же количеством электричества, пропорциональны их химическим эквивалентам:

m1	=	Э1	.
m2	Э2

Примеры решения задач

Пример 1. Сколько меди выделится на катоде, если через раствор медного купороса пропустить ток силой 2,68 А в течение 30 мин?

Решение: по закону Фарадея:

m =	МЭК ·I·τ	=	32×2,68×1800	=1,6 г,
F

где I – сила тока, А;

τ – время прохождения тока, с;

М_ЭК – масса молярного эквивалента вещества, г/моль экв;

F – Постоянная Фарадея, равная 9,65×10⁴ Кл/моль экв.

Пример 2. Какое количество продуктов будет получено при электролизе расплавленного гидроксида натрия, током силой 0,2 А в течение 5 часов?

 

Решение: Схема электролиза расплава NaOH:

		NaOH
		­¯ (321°С)
	(-) К	Na+ + OH-	® А(+)
	К:	Na+ + ē = Na
	А:	4OH- - 4ē = O2 + 2H2O
Суммарно:	4Na+ + 4OH- = 4Na + O2 + 2H2O
	эл.ток
	4NaOH = 4Na + O 2 ­ + 2H 2 O
	на катоде на аноде

Определим количество электричества (в кулонах), прошедшего через расплав NaOH, для чего амперы умножим на время (в секундах):

0,2∙5∙60∙60 = 3600 Кл.

Согласно закону Фарадея, если через электролит пройдёт 96500 Кл электричества, то на электродах выделится эквивалент вещества.

Тогда: на катоде 96500 Кл электричества выделит 23 г Na