Количество вещества (масса или объем), претерпевающего электрохимическое превращение на электроде, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшего через электрод:

⇐ ПредыдущаяСтр 16 из 19Следующая ⇒

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

где М_э – молярная масса эквивалентов вещества (г/моль), выделяющегося на электроде, I – сила тока (А), τ – время (с), F – число Фарадея (96484,56 Кл/моль ≈ 96500 Кл/моль).

Для газов это выражение имеет вид:

где V_э – эквивалентный объем газа (л/моль).

2. Массы (объемы) прореагировавших на аноде и катоде веществ относятся друг к другу как молярные массы их эквивалентов (их эквивалентные объемы):

Выход по току – доля общего количества электричества, прошедшего через электролизер, которая расходуется на выделение одного вещества:

Расчет Q_общ.проводят относительно электрода, на котором протекает один процесс (В_т = 100%). Количества электричества, прошедшие через анод и катод, равны.

Выход по току также можно рассчитывать по формулам:

Как правило, выход по току на практике не бывает равен 100%, что связано, во-первых, с возможностью протекания нескольких процессов одновременно на одном электроде, а также с потерями на сопротивление проводников I и II рода.

Образцы решения задач

Задача 1. Запишите уравнения реакций, протекающих на угольном аноде и оловянном катоде при электролизе водного раствора сульфата олова (рН = 4). Рассчитайте выход по току вещества, в первую очередь выделяющегося на катоде, если при прохождении 0,5 F электричества масса катода изменилась на 22,24 г.

Решение: В данной задаче описывается случай электролиза с нерастворимым анодом. Составим схему электролиза и выясним ионный состав раствора в анодной и катодной зонах:

А SnSO₄ ® Sn²⁺ + SO₄²^- К

(+) Н₂О ® Н⁺ + ОН^- (-)

O₄²^- Sn²⁺

Н₂О H⁺

[C] рН = 4 [Sn]

Чтобы выяснить, какой процесс в первую очередь будет протекать на аноде, необходимо найти значения электродных потенциалов частиц, которые способны окисляться (SO₄²^-и OH^-):

Е°(S₂O₈²^-/SO₄²^-) = + 2,01 В;

Так как потенциал разряда анионов кислородных кислот велик, на аноде будет протекать только процесс окисления воды:

2Н₂О - 4ē ® О₂ + 4Н⁺ .

Найдем потенциалы частиц, способных восстанавливаться на катоде:

Е°(Sn²⁺/Sn) = -0,136 В;

В первую очередь на отрицательно заряженном катоде восстанавливаются частицы с более положительным потенциалом (Sn²⁺), но так как значения потенциалов ионов олова и водорода близки (разница меньше 1 В), на катоде будут протекать два процесса:

1) Sn²⁺ + 2ē ® Sn°; 2) 2Н⁺ + 2ē ® Н₂.

Так как по условию масса катода изменилась на 22,24 г, то на катоде практически выделилось 22,24 г олова. Найдем массу олова, которая должна была теоретически выделиться на катоде при прохождении 0,5 F электричества:

Найдем выход по току олова:

Задача 2 . Опишите процесс электролиза водного раствора сульфата цинка с цинковыми электродами (рН = 5).

Решение: В данной задаче описывается случай электролиза с растворимым анодом.

Составим схему электролиза и выясним ионный состав раствора в анодной и катодной зонах:

А ZnSO₄ ® Zn²⁺ + SO₄²^- К

(+) Н₂О ® Н⁺ + ОН^- (-)

SO₄²^- Zn²⁺

Н₂ОH⁺

[Zn] рН = 5 [Zn]

Найдем значения электродных потенциалов частиц, которые способны окисляться (SO₄²^-, OH^-, Zn):

Е°(S₂O₈²^-/SO₄²^-) = + 2,01 В;

Е°(Zn²⁺/Zn) = -0,763 В;

На положительно заряженном аноде в первую очередь окисляются частицы с минимальным потенциалом, в данном случае – атомы цинка:

Zn° – 2ē ® Zn²⁺ .

Разница в электродных потенциалах цинка и остальных частиц слишком велика, поэтому на аноде будет протекать только процесс окисления цинка.

Найдем потенциалы частиц, способных восстанавливаться на катоде:
Е°(Zn²⁺/Zn) = -0,763 В;

В первую очередь на отрицательно заряженном катоде восстанавливаются частицы с максимальным потенциалом (Н⁺); так как значения потенциалов ионов цинка и водорода близки (разница меньше 1 В), на катоде будут протекать два процесса:

1) 2Н⁺ + 2ē ® Н₂;2) Zn²⁺ + 2ē ® Zn°.

В этом случае выходы по току водорода и цинка будут меньше 100% (в сумме оба 100%).

Изобразим график поляризационных кривых для данных процессов:

-0,295 Поляризационная кривая

окисления цинка на аноде

-0,763

Поляризационная кривая

восстановления цинка на катоде

Поляризационная кривая

восстановления водорода на
катоде

Задача 3 . Электролиз водного раствора хлорида натрия (рН = 8) проводили на угольных электродах в течение 6,7 ч. При этом на катоде выделилось 5,6 л газа. Определите, при какой силе тока проводили электролиз и сколько хлора выделилось за это время на аноде, если его выход по току 25%.

Решение: Схема электролиза:

А NaCl ® Na⁺ + Cl^- К

(+) Н₂О ® Н⁺ + ОН^- (-)

Cl^- Na⁺

ОН^-Н₂О

[C ] рН = 8 [C]

Выясним, какие процессы протекают в анодной зоне:

Е°(Сl₂/Cl^-) = 1,359 В;

Из полученных значений видно, что на аноде протекают 2 процесса:

1) 4ОН^- - 4ē ® О₂ + 2Н₂О; 2) 2Сl^- - 2ē ® Cl₂.

Как известно из условия, на выделение кислорода тратится 75% электричества, на выделение хлора – 25%.

В катодной зоне может протекать только восстановление ионов водорода, так как щелочные металлы из растворов при электролизе никогда не выделяются. Это можно подтвердить и значениями потенциалов:

ε°(Na⁺/Na) = -2,714 В;