Примеры решения задач по реакциям электролиза

Методическое пособие

Примеры решения задач по реакциям электролиза

Задача №1

При электролизе 1л раствора хлорида меди (II) на катоде выделилась медь массой 12,7г. Вычислите объем газа (н.у.), выделившегося на аноде, если плотность раствора близка к 1 г/мл.

Решение

Vр-ра CuCl2=1л

1г/мл

m(Cu)=12,7г

V (Cl2) - ?, н.у.

раствор
CuCl2
= Cu2+
+2Cl–

(H2
O)

на катоде : Cu
2+
, H2
O(H+
)

на аноде : Cl
–
, H2
O

1 2 2 Cu2+
+ 2Cu0

1 2 2Cl—
- 2 Cu2
0

Cu2+
+ 2Cl–
Cu0
+ Cl2

m=12,7г V-?

CuCl2
= Cu↓ + Cl2
↑

раствор М=64 г/моль Vm=22,4 л/моль

1 моль 1 моль

1) V(Cl2
) = (Cl2
) -Vm

2) ,

V (Cl2
) = 0,198 моль - 22,4 л/моль = 4,44 л

Ответ: V (Cl2
) = 4,44 л (н.у.)

Задача №2

При электролизе водного раствора нитрата серебра (I) на аноде выделилось 13,44л кислорода (н.у.). Определите массу выделившегося на катоде серебра, если выход серебра составил 90% от теоретически возможного, а выход кислорода – количественный.

Решение

Vпр (О2)=13,44л

(О2) = 100%

(Ag) = 90%

m ( Ag) - ?

раствор

AgNO3
= Ag2+
+NO3
–

(H2
O)

на катоде : Ag
+
, H2
O(H+
)

нааноде: NO3
–
, H
2
O

4 4 2 Ag2+
+ 1 Ag0
NO3
—
1
4 2H2
O- 4 O2
0
+4H+

4Ag+
+ 2H2
O4Ag0
+ O2
0
+ 4H+

+4NO3
—
+4NO3
—

=90% =100%

ίmпр=? Vпр = 13,44л

4AgNO3
+2H2
O = 4Ag↓ + O2
↑+ 4HNO3

М=108 г/моль Vm=22,4 л/моль

4 моль 1 моль

1) т
(O2
) = пр
(O2
) =

2) 4 - 0,6моль = 2,4моль

3) mТ
(Ag) = 2,4 моль - 108 г/моль = 259,2г; mпр
(Ag) = mТ
(Ag) -(Ag)

4) mпр
(Ag) = 259,2г - 0,9 = 233,3г

Ответ: mпр
(Ag) = 233,3г

Задача №3

При электролизе водного раствора хлорида цинка на катоде выделился цинк массой 68,25г, а на аноде – хлор объемом 28,22л (н.у.). Определите выход цинка, если выход хлора составил 90% от теоретически возможного.

Решение

mпр (Zn)=68,25г

Vпр (Cl2)=28,22л

(Cl2) = 90%

(Zn) - ?

раствор

ZnCl2
= Zn2+
+2Cl–

1 2 2 Zn2+
+ 2Zn0

1 2 2Cl—
- 2Cl2
0

Zn2+
+ 2Cl—
Zn0
+Cl2
0

(H2
O)

на катоде : Zn
2+
, H2
O

на аноде : Cl
–
, H2
O

=
?

mпр
=68,25г =90%, Vпр
=28,22л

ZnCl2
= Zn↓ + Cl2
↑

(HO2 ) М=65 г/моль Vm=22,4 л/моль

1 моль 1 моль

1) (Zn) = ; 2) mТ
(Zn) = (Zn) -M(Zn);

3) ; Т
(Zn) = Т
(Cl2
)

4) ; 5)

6) (Cl2
) = ; 7) mТ
(Zn) = 1,4моль - 65 г/моль = 91г

8) (Zn) =

Ответ: У(Zn) = 0,75 (75%)

Задача №4
. Определите массу медного купороса, помещенного в электролизёр, если при электролизе его водного раствора выделился кислород объемом 5,71 (н.у.), выход которого ставил 85% от теоретически возможного.

Решение

Vпр(O2)=5.71л

(н.у.)

(О2) = 85%

m(CuSO45H2O) -?

раствор

CuSO4
= Cu2+
+ SO4
2–

2 4 2 Cu2+
+ 2Cu0

1 4 2H2
O - 4O2
0
+
4H+

2Cu2+
+ 2H2
O 2Cu0
+ O2
0
+ 4H+

+2SO4
2-
+2SO4
2–

(H2
O)

на катоде : Cu
2+
, H2
O

на аноде : SO4
–
, H
2
O

m=
?

M= (CuSO4
-5H2
O) = 250г/моль

2CuSO4
+ 2H2
O = 2Сu↓ + O2
↑ + 2H2
SO4

М=160 г/моль Vm=22,4 л/моль

2 моль 1 моль

1) m(CuSO4
-5H2
O) = (CuSO4
- 5H2
O) -M(CuSO4
-5H2
O)

2) (CuSO4
- 5H2
O) = (CuSO4
)

3) ;

4)

5)

6)

7) (CuSO4
) = 0,3 моль - 2 = 0,6 моль = (CuSO4
-5H2
O)

8) m(CuSO4
-5H2
O) = 0,6 моль - 250 г/моль = 150г

Ответ: m(CuSO4
-5H2
O) = 150г.

Задача № 5

Через электролизер, содержащий раствор гидроксида калия объемом 300мл с массовой долей вещества 22,4% (плотность 1,2 г/мл), пропустили электрический ток. Рассчитайте массовую долю гидроксида калия в растворе после отключения тока, если известно, что на катоде выделился газ объемом 89,6л (н.у.)

Решение

Vр-ра КОН = 300мл

= 22,4%

= 1,2 г/мл

V(H2) = 89,6л

н.у.

(КОН) -?

раствор

КОН= К+
+ OН–
(среда щелочная)

2 4 2 2H2
O +2 H2
0
+ 2OH—

1 4 4OH—
- 4 O2
0
+
2H2
O

4H2
O
+4OH
—
2H2
0
+4OH
—
+O2
0
+2H2O

(H2
O)

на катоде : К+
, H
2
O

на аноде : OH
–
, H2
O

ί
V = 89,6л

2H2
O = 2H↑ + O2
↑ (1)

(р-р КОН) Vm=22,4 л/моль

2 моль

1) (КОН) – массовая доля щелочи в растворе после реакции электролиза, которая зависит от содержания гидроксида калия в исходном растворе (она не изменяется в ходе электролиза) и массы воды, которая подверглась электролизу.

(КОН) =

2) mконечн. р-ра
КОН = mисход. р-ра
КОН – m1
(H2
O)

3) m1
(H2
O) = 1
(H2
O) -M(H2
O)

;

m1
(H2
O) = 4моль - 18 г/моль = 72г

4) mисход. р-ра
КОН = V р-ра
КОН -= 300мл - 1,2г/мл = 360г

5) mисход.
(КОН) = (КОН) -mисход. р-ра
КОН = 0,224 - 360мл = 80,64г

6) (КОН)

Ответ: после электролиза (КОН) = 0,28 (28%)

Задача №6

При электролизе 16г. расплава некоторого соединения

водорода с одновалентным элементом на аноде выделился водород количеством вещества 1 моль.

Установите формулу вещества, взятого для электролиза.

Решение

I I

m(Эл Н)=16г

(H2) = 1моль

Эл Н - ?

По условию, водород выделяется на аноде, значит, его ионы имеют отрицательный заряд, а искомый элемент имеет положительный заряд. Ясно, что ЭЛН – гидрид.

расплав

2 2 1 Эл+
+1Эл0

2 2 2H–
- 2Н2
0

2Эл+
+ 2Н –
2Эл0
+ Н2
0

Эл Н= Эл1+
+Н 1–

на катоде : Эл1+

на аноде : H1–

m=16г ί=1моль

2ЭлН = 2Эл↓ + Н2
↑

расплав 1 моль

2 моль

1) Mr
(ЭлН) = (х + 1) а.е.м

2)

3)

4)

5) х+1=8

х =7, Аr
(Эл)=7, значит Эл – лимит

Ответ: ЭлН – LiH, гидрид лития

Задача № 7

Электролиз 400мл. 6%-ного раствора сульфата меди (II) (плотность 1,02г/мл) продолжали до тех пор, пока масса раствора не уменьшилась на 10г. Определите массовые доли соединений в оставшемся растворе и массы продуктов, выделившихся на инертных электродах.

Решение

Vр-ра
CuSO4
= 400мл

= 6%

= 1,02 г/мл

∆mр-ра
= 10г

н.у.

?

См. схему реакции электролиза и электронные полуреакции в задаче №4, часть VII

= 1,02 г/мл

Vр-ра
=400мл

Ñmр-ра = 10г

ί m - ? m - ?

2CuSO4
+ 2H2
O = 2Сu↓ + O2
↑ + 2H2
SO4
(1)

раствор М=64г/моль М=32г/моль М=98 г/моль

М=160 г/моль Vm=22,4 л/моль

2 моль 2моль 1 моль 2 моль

1) mр-ра
CuSO4
= Vр-ра
- = 400мл -1,02г/мл = 408г = mр-ра
до реакции

2) (CuSO4
) =

3) По условию процесс продолжается до тех пор, пока масса не уменьшилась на 10г, значит на электродах выделилось 10г веществ – меди и газообразного кислорода.

4) По уравнению реакции:

Пусть 1 часть продуктов (Cu и О2
) содержит х моль вещества,

тогда моль; моль

5) m(O2
) = 32x , г

m(O2
) = 32x , г m(O2
) + m(Cu) = 10

32(x) + 64 2x = 10

160x = 10

x = 0,0625

Значит: m(O2
) = 32 г/моль- 0,0625 = 2г

m(Cu) = 64 г/моль- 2 - 0,0625 моль = 8г

6) m1
(H2
SO4
) =(H2
SO4
) -М(H2
SO4
)

7) (H2
SO4
) = (Cu) = 2- 0.0625 моль = 0,125 моль

8) m1
(H2
SO4
) = 0,125 моль - 98 г/моль = 12,25г

9) mобщ.
(CuSO4
) = mр-ра
CuSO4
-(CuSO4
) = 408г - 0,06 = 24,48г

10) m1
(CuSO4
) = (CuSO4
) -М(CuSO4
)

(CuSO4
) -(Cu) = 2 - 0,0625 моль = 0,125 моль

m1
(CuSO4
) = 0,125 моль - 160 г/моль = 20г

11) mизбытка <

br />(CuSO4
) = 24,48 – 20г = 4,48г

12) mр-ра после реакции
= mр-ра до реакции
- m(Cu; O2
) = 408г – 10г = 398г

13) (CuSO4
) = 0,0112 (1,12% CuSO4
в оставшемся растворе)

14) (Н2
SO4
) = 0,0308 (3,08% Н2
SO4
в оставшемся растворе)

Ответ: На электродах выделилось: m(Cu) = 8г; m(O2
) = 2г; в оставшемся растворе: (CuSO4
) =0,0112 (1,12%)

(Н2
SO4
) = 0,0308 (3,08%)

Задача № 8

При электролизе раствора хлорида металла катион которого двухзаряден, на катоде выделилось 0,16г металла. При растворении этой массы металла в концентрированной азотной кислоте выделился бурый газ объемом 0,112 (н.у.) Определите состав хлорида и его массу в растворе.

Решение

II

MeCl2

m(Me) = 0,16г

m(NO2
) = 0,112л

н.у.

MeCl2 - ? m(NCl2 ) - ?

1) По условию, на катоде выделяется чистый металл, значит этот металл может находиться в ряду активности металлов «после водорода» раствор

MeCl2
= Ме2+
+ 2Cl–
m=0,16г

1 2 2 Me2+
+2Me0
(по условию)

1 2 2Cl—
- 2 Cl 0

Me2+
+ 2Cl —
Me 0
+Cl 0

(H2
O)

на катоде : Me
2+
, H2
O(H+
)

на аноде : Cl
–
, H2
O

2) По условию реакции (1) нельзя однозначно вычислить (MeCl2
), так как в условии задачи нельзя не говорится о том, что процесс электролиза прошел до конца, поэтому основные расчеты проводим по уравнению реакции (2)

ί m = 0,16г

MeCl = Me ↑ + Cl2
↓ (1)

(H2
O)

m = 0,16г II V = 0,112л

Me + 4HNO3
= Me(NO3
) + 2NO2
↑ + 2H2
O2
(2)

1 моль (конц.) (по условию)

Vm=22,4л/моль

2 моль

1 2 2 Me0
+2 Me 2+

2 1 2 NO3
—
+ 2Н+
+ NO2
0
+ H2
O

Me0
+ 2NO3
—
+ 4Н+
Me 2+
+2NO2
0
+ 2H2
O

+ 2NO3
—
+2NO3
—

в-ль; ок-е

ок-ль; в-е

3) (NO2
) =

4) ; (Me) = = 0,0025 моль

5) M(Me) =

Этот металл – медь (валентность – II), выделяется на катоде из растворов солей, с HNO3
(конец) реагирует с выделением NO2
, что соответствует условию задачи).

Хлорид металла - CuCl2
– хлорид меди (II)

6) m(CuCl2
) = (CuCl2
) - M(CuCl2
)

(CuCl2
) = (Cu) = 0,0025 моль

m(CuCl2
) = 0,0025 моль - 135 г/моль = 0,34г

Ответ: CuCl2
; m(CuCl2
) = 0,34г

Задача № 9

1000г 5,1% - ного раствора нитрата серебра подвергнуто электролизу, при этом на катоде выделилось 10,8г вещества. Затем в электролизер добавили 500г 13,5% вещества. Затем в электролизер добавили 500г 13,5% -ного раствора хлорида меди (II). Полученный раствор снова подвергли электролизу до выделения на аноде 8,96л газа (н.у.). Определите массовые доли веществ в конечном растворе.

Решение

mр-ра Ag NO3=1000г

= 5,1%

m(Ag) = 10,8г

mр-ра
(CuCl2
)=13,5%

V(Cl2) = 8,96л

н.у.

(в-в) -?

раствор

1) AgNO3
= Ag+
+ NO3
–

(
H
2
O
)

4 4 1 Ag+
+1Ag 0

1 4 2H2
O- 4O2
0
+
4H+

4Ag +
+ 2 H2
O 4Ag 0
+O2
0
+ 4H+

+ 4NO3
—
+ 4NO3
—

на катоде : Ag
+
, H2
O

на аноде : NO3
–
, H
2
O

mр-ра
= 1000г

m=10,8

ί
m
= 10,8

4Ag NO3
+ 2H2
O = 4Ag ↓ + O2
↑ + 4HNO3
(1)

раствор М=108г/моль

М=170г/моль

4 моль 4моль

2) (Ag) =

3) (AgNO3
) = (Ag) = 0,1моль

4) (AgNO3
) =

5) = (AgNO3
) – (AgNO3
) = 0,3моль – 0,1моль = 0,2моль

Значит после реакции (1) в растворе остается 0,2моль AgNO3

6) Избыток AgNO3
в растворе выступит в реально с добавленным раствором

CuCl2
.

mр
-
ра
= 500г

= 13,5%

2AgNO3
+ CuCl2
= 2AgCl ↓ + Cu(NO3
)2
(2)

2моль М=135г/моль

1моль

7) По условию, при электролизе оставшегося раствора на аноде выделился газ

V=8,96л (н.у.)

раствор

CuCl2
= Cu2+
+2Cl–

(H2
O)

1 2 2 Cu2+
+2 Cu0

1 2 2 Cl–
-2Cl2
0

2Cl–
+ Cu2+
Cl2
0
+Cu0

на катоде : Cu
2+
, H2
O

на аноде : Cl
–
, H2
O

ίV = 8.96л

CuCl2
= Cu↓ + Cl2
↑ (3)

(H2O – раствор) Vm=22,4г/моль М

1 моль

8) Из (2): (CuCl2
) =

9) (CuCl2
) =

ÞCuCl2
– в избытке

10) (CuCl2
) = (CuCl2
) - (CuCl2
) = 0,5моль – 0,1моль = 0,4моль

11) Из (3): (Cl2
) =

12) (CuCl2
) = (Cl2
) = 0,4моль, значит весь CuCl,
оставшийся в растворе после реакции (2), подвергся электролизу.

13) После всех процессов в электролизе останутся Cu(NO3
) – из (2)

(Cu(NO3
)2
) = (AgNO3
) = = 0,1моль

m2
(Cu(NO3
)2
) = 0,1моль - 188г/моль = 18,8г

14) mисход р-ра
= m р-ра
AgNO3
+ m р-ра
CuCl2
= 1000г + 500г = 1500г

15) mконеч р-ра
= mисход р-ра
– m1
(O2
) – m3
(Cl2
) – m3
(Cu) – m1
(Ag) – m2
(AgCl)

16) (O2
) =

m1
(O2
) = 0,025моль - 32г/моль = 0,8г; m1
(Ag) = 10,8г (по условию)

17) m3
(Cl2
) = (Cl2
) - М(Cl2
) = 0,4моль - 71г/моль = 28,4г.

m3
(Cu) = (Cu) - М(Cu) = 0,4моль - 64г/моль = 25,6г

18) m2
(AgCl) = (AgCl) - М(AgCl) = 0,2моль - 143,5г/моль = 28,7г

19) mконеч р-ра
= 1500г – 0,8г – 28,4г – 25,6г – 10,8г – 28,7г = 1405,7г

20)

Ответ:

VIII. Примеры решения задач на расчеты по законам электролиза М. Фарадея

Задача № 1

Через последовательно включенные в цепь постоянного тока растворы

нитрата серебра (I), сульфата меди (II) и хлорида золота (III) пропускали ток силой в течение 20 мин. Рассчитайте массы металлов, осевших на катоде.

Решение

р-ры Ag NO3

CuSO4

AuCl3

I = 5A

F = 20мин = 1200с

F = 96500 Кл/моль

m (Ag) - ?

m (Cu) - ?

m (Au) - ?

1) Все металлы, катионами которых образованы данные соли, находятся в ряду активности металлов «после водорода» в ряду активности металлов «после водорода», значит на катодах будет протекать реакция восстановления только металлов:

Ag+
+ 1Ag 0
; n=1, M(Ag) = 108 г/моль

Cu+
+ 2Cu0
; n=2, M(Cu) = 64 г/моль

Au+
+ 3Au 0
; n=3, M(Au) = 197 г/моль

2) По формуле объединенного закона электролиза:

m (в-ва) = вычисляем массы металлов:

m(Ag) =

m(Cu) =

m(Au) =

Ответ: m(Cu) = 2г , m (Ag) = 6,7г , m(Au) = 4г.

Задача № 2

Вычислить массу газа, выделившегося на аноде при электролизе раствора серной кислоты, производившегося в течение 10 мин при силе тока 1,5А.

Решение

р-р H2SO4

F = 10мин = 600с

I = 1,5 A

F = 96 500 Кл/моль

m (O2) - ?

1) См. схему реакции электролиза и электронные полуреакции в примере №10 (часть IV). Электролиз раствора серый кислоты сводится к электролизу воды:

ί

2H2
O = O2
↓ + 2H2
↑ ;

на аноде выделяется кислород: 2H2
O- 4 = O2
↑+ 4H+
;

значит n = 4

2) m(O2
) =

Ответ: m(O2
) = 0,075г

Задача № 3

При действии постоянного тока силой 6,4А на расплав соли трехвалентного металла на катоде в течение 30 мин выделилось 1,07г металла, а аноде – 1344мл. (н.у.) газа, относительная плотность паров которого по гелию составляет 17,75. Определите состав соли, расплав которой подвергли электролизу.

Решение

I = 6,4 A

F = 30мин = 1800с

m(Me) = 1,07г

V(газа) = 13,44 = 22,4л (н.у.)

соль - ?

на катоде : Me3+
+ 3Me0

на аноде : - ?

1) По условию: ДНе
(газа) = 17,75

Значит, M(газа) = ДНе
(газа) -M(He) = 17,75 - 4г/моль =

71г/моль = M(Cl2
)

Значит, на аноде : 2Cl—
- 2Cl2
0

2) По формуле объединенного закона электролиза:

M(Me) =

M(A1) = 27г/моль Значит, соль – хлорид аммония

Ответ: хлорид аммония.

Задача № 4

При прохождении через раствор сульфата никеля (II) тока силой 2А масса катода увеличилась на 2,4г. Рассчитайте время электролиза, если выход по току равен 0,8.

Решение

р-р NiSO4

I = 2 A

∆m = 2,4г

= 0,8

F - ?

1) По условию, масса катода увеличилась, значит, на катоде восстановился никель массой 2,4г.

mпр
(Ni) = 2,4г ; mт
(Ni) =

Ni2+
+ 2Ni0

2) По формуле объединенного закона электролиза:

F=

Ответ: время электролиза составляет 4907с.