Лабораторный практикум.... Практикум по электрохимии учебное пособие для студентов всех специальностей
 Скачать 2.97 Mb.
|
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧПример 1. Навеску цветного сплава массой 1.525 г растворили и путем электролиза при постоянной силе тока 0.2 А за 45 мин выделили на катоде медь и на аноде свинец в виде PbO2. Определите массовую долю (%) меди и свинца в сплаве, если выход по току 100%. Решение.  . .Пример 2. При электролизе металлический шар радиусом 4 мм, помещенный в водный раствор хлорида золота (III) с концентрацией 0.1 М, покрывается слоем золота. Определите толщину пленки золота, если время пропускания тока силой 204 мА составляет 2 часа, а плотность золота равна 19320 кг/м3. Составьте уравнения электродных процессов. Решение. Составим уравнение электродных процессов. В водном растворе под действием полярных молекул растворителя протекает процесс диссоциации хлорида золота AuCl3 по схеме: AuCl3 Au3+ + 3Cl. Кроме того, вода является слабым электролитом и ее молекулы диссоциируют на катионы водорода и анионы гидроксогрупп: H2O H+ + OH. Следовательно, в водном растворе хлорида золота присутствуют 2 вида катионов (Au3+ и H+) и 2 вида анионов (Cl– и OH–). Катионы золота и водорода способны восстанавливаться на катоде по следующим схемам: Au3+ + 3е Au, 2H+ + 2е H2. Возможные анодные процессы окисления: 4OH – 4е О2 + 2Н2O, 2Cl – 2е Cl2. Какие именно электрохимические процессы будут протекать у электродов при электролизе, прежде всего, зависит от относительных значений электродных потенциалов соответствующих электрохимических систем. Из нескольких возможных процессов будет протекать тот процесс, осуществление которого сопряжено с минимальной затратой энергии. Это означает, что на катоде будут восстанавливаться окисленные формы электрохимических систем, имеющих наибольший электродный потенциал, а на аноде будут окисляться восстановленные формы систем с наименьшим электродным потенциалом. Воспользуемся уравнением Нернста и определим электродные потенциалы возможных процессов окисления и восстановления:   .Так как Au3+ > H+, следовательно, на катоде будут восстанавливаться катионы золота Au3+, т.е. на катоде протекает процесс: (К): Au3+ + 3е Au. Так как  , ,т.е. OH– > Cl– , следовательно на катоде будут окисляться анионы гидроксогрупп OH–, на аноде протекает процесс: (А): 4OH – 4е О2 + 2Н2O За время электролиза tмасса золота m, осаждающегося на поверхность шара радиуса r, определяется законом Фарадея:  Подставив данные из условия задачи, определим численное значение массы золотой пленки:  Масса осажденного золота связана с плотностью золотого покрытия и объемом пленки VAu соотношением: m = VAu, из которого определим объем осажденной пленки:  см3.Таким образом, первоначальный объем шара V0 = 4/3r3 в процессе электролиза увеличился (схематично данный процесс изображен на рис.5.5) и составляет:  . Рис.5.5. Схема шара с осажденным на его поверхности золотом Воспользуемся выражением для объема шара радиуса R = r + d:  .Из последнего соотношения найдем толщину слоя золота d:  .Ответ: Толщина пленки золота, осажденного в процессе электролиза, составляет 0.024 см. В ходе электролиза на электродах протекают следующие процессы: (К): Au3+ + 3е Au (А): 4OH – 4е О2 + 2Н2O Работа № 1 ЭЛЕКТРОГРАВИМЕТРИЯ Электрогравиметрический метод анализа основан на электролитическом выделении металлов и взвешивании полученного на электроде осадка металла. При этом металл может быть выделен как в элементарной форме на катоде в результате электровосстановительного процесса, так и в виде оксида на аноде в результате электроокислительного процесса. Цель На практике ознакомиться с важным физико-химическим методом анализа – электрогравиметрией, с помощью которого определить массу электролитически выделенного на электроде металла. Задачи 1. Определить массу электролитически выделенного на электроде металла. 2. Рассчитать теоретическую массу меди, восстанавливающуюся на катоде в соответствии с законом Фарадея. 3. Провести оценку эффективности работы электролизной установки, рассчитав выход по току. Приборы и реактивы 1. Стеклянный сосуд прямоугольной формы с диэлектрической крышкой. 2. 3 медных пластины (2 анода и 1 катод) и наждачная бумага. 3. Источник постоянного тока (Б5-47). 5. Электрические провода с прижимными контактами («крокодилы»), 6. Аналитические весы HR-200 («A&D Company Ltd.», Япония). 7. 1 М раствор сульфата меди (CuSO4). Методика выполнения работы и ее обоснование На рисунке 5.6а показан медный кулонометр, представляющий собой прямоугольный стеклянный сосуд 5, на двух противоположных сторонах которого закреплены медные пластины играющие роль анодов. Между анодами 2 помещена тонкая медная пластина, служащая катодом 1. Такое расположение электродов обеспечивает наиболее равномерное распределение тока на катоде. В качестве электролита 3 используется 1 М водный раствор сернокислой меди CuSO45Н2О (150 г/л) и этилового спирта (5 мл). Добавка этилового спирта в раствор предотвращает возможный процесс окисления выделяющейся на катоде меди. Этиловый спирт может быть заменен 10 - 12 % - ным раствором сахара. Для получения высокого выхода меди по току плотность тока на катоде должна быть в пределах от 0.002 до 0.02 А/см2. При более высоких плотностях тока осажденный слой меди формируется рыхлым и возможны его потери при взвешивании. При низких плотностях тока, наряду с реакцией восстановления 2-х валентной меди Cu2+ + 2e– Cu0 , возможно протекание реакции Cu2+ + e– Cu+, что приводит к ошибкам в результатах измерений. Порядок выполнения работы 1. Определить геометрические размеры (длину L и ширину W) катодной пластинки 1 с помощью измерительной линейки, рассчитать площадь пластинки S = LW и ее значение занести в таблицу. 2. Задать величину тока источника питания 4 с помощью органов управления прибора, используя условие I = 0.005S. Значение силы тока I занести в таблицу. 3. Заполнить стеклянный сосуд 5 (рис.5.6) 1 М раствором электролита 3. Закрепите на диэлектрической крышке 6 два анода 2, погруженные в раствор электролита с помощью прижимных контактов – «крокодилов». Электрические провода «крокодилов» соединить с положительным полюсом «+» источника постоянного тока 4. 4. Зачистить наждачной бумагой катодную пластину 1 и промойте ее дистиллированной водой. 5. Поместить катодную пластину в стеклянный сосуд, заполненный электролитом, закрепив в крышке стеклянного сосуда с помощью «крокодила». Соединить электрический провод «крокодила» с отрицательным полюсом «–» источника постоянного тока. 6. Включить источник постоянного тока 4 и провести процесс электролиза в течение 15 минут для нанесения на катодную пластинку свежеосажденного слоя меди. 7. Отключить источник питания 4, отсоединить и вынуть катодную пластину из раствора электролита, промыть катодную пластину дистиллированной водой и высушить на воздухе. 8. Взвесить катодную пластину 1 на аналитических весах, занести значение ее массы m1 в таблицу. 9. Закрепить катодную пластину на прежнюю позицию в крышке 6 стеклянного сосуда (см. п.5). 10. Включить источник постоянного тока 4 и провести процесс электролиза в течение 20 минут для нанесения на катодную пластинку слоя меди.  11. Отключить источник питания 4, вынуть катодную пластину из раствора электролита, промыть пластину дистиллированной водой и высушить на воздухе. 12. Взвесить катодную пластину 1 на аналитических весах, занести значение ее массы m2 в таблицу. 13. Определить массу осажденной меди в ходе электролиза mпракт = m2 – m1. 14. Определить теоретическую массу меди, восстанавливающуюся на катоде в соответствии с законом Фарадея  ,где  – эквивалентная масса меди, г/моль; I – сила тока, протекающего через раствор электролита в ходе электролиза, А; t – время электролиза, сек.; F = 96487 Кл/моль – постоянная Фарадея.15. Провести оценку эффективности работы электролизной установки, рассчитав выход по току  .16. Результаты расчетов занести в таблицу и записать уравнения электродных процессов. Рекомендуемый вид таблицы
Сделать выводы по проделанной работе, аргументировано обосновать причину кажущегося расхождения экспериментальных данных с законом Фарадея ( < 100 %). Контрольные задания 1. Из анализируемых растворов, содержащих ионы трехвалентного металла, в результате электролиза при силе тока 1.0 А за время t было выделено на катоде m г металла. Определить, какой металл был в растворе, если выход по току составляет 100%.
2. Навеску цинковой руды массой m г перевили в раствор и полностью выделили из него цинк путем электролиза при силе тока 1.0 А в течение времени t. Рассчитать массу выделившегося цинка (г) и массовую долю (%) ZnO в руде (выход по току составлял 100 %):
3. Определить массовую долю (%) индифферентных примесей в образце медного купороса, если после растворения его навески массой m(CuSO4·5H2O) в азотной кислоте и электролиза полученного раствора выделено на платиновом катоде m(Cu) г:
4. Навеску цветного сплава массой m г растворили с помощью электролиза при постоянной силе тока I. За время t на катоде полностью выделилась медь и на аноде свинец в виде PbO2. Определить массовую долю (%) меди и свинца в сплаве, если выход по току составлял 100 %.
5. Определить время, теоретически необходимое для полного выделения на катоде кадмия из V, мл раствора CdSO4 указанной концентрации, если электролиз проводился при силе тока 0,1 А и выход по току составлял 100 %.
6. Сколько времени надо производить электролиз для полного выделения никеля из 50 мл 2 %-ного раствора NiSO4·7H2O (плотность раствора 1.01 г/мл) током 0.3 А и при выходе по току 90 %? 7. Сколько времени надо производить электролиз 20 мл 0.2 н раствора CdSO4 током 0.1 А для полного выделения кадмия, если выход по току составляет 93 %? 8. Какой силы ток надо пропускать через 0.1 н раствор Bi(NO3)3, чтобы в течение 30 мин. полностью выделить металл из 30 мл раствора, если выход по току составляет 100 %? 9. При пропускании тока силой 2 А в течение 1 часа 14 мин 24 с через водный раствор хлорида металла (II) на одном из графитовых электродов выделился металл массой 2.94 г. Чему равна атомная масса металла, и что это за металл, если выход металла по току в процессе электролиза составляет 100 %? Напишите уравнения реакций, происходящих на электродах. 10. Рассчитайте ток в цепи и массу вещества, которое подвергалось разложению при электролизе водного раствора сульфата калия с нерастворимым анодом, если на катоде выделилось 0.224 л водорода, измеренного при н.у. Время электролиза 1 час. 11. Сколько времени необходимо для осаждения всей меди из 200 мл 0.2 М раствора CuSO4 в ходе электролиза при силе тока 2 А? 12. Проведение эксперимента требует расхода чистого водорода в количестве 500 мл в минуту. Рассчитайте силу тока для получения необходимого количества газа при электролизе раствора КОН. 13. Какова должна быть длительность процесса электролиза при утилизации серебра из 7 л 0.005 М раствора AgNO3? 14. Электролиз раствора К2SО4 проводили при силе тока 5 А в течение 3 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах. Какая масса воды при этом разложилась и чему равен объем газов (н.у.), выделившихся на катоде и аноде? 15. При электролизе соли некоторого металла в течение 1.5 ч при силе тока 1.8 А на катоде выделилось 1.75 г этого металла. Вычислите эквивалентную массу металла. 16. При электролизе раствора сульфата меди на аноде выделилось 168 см3 газа (н.у.). Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах, и вычислите, какая масса меди выделилась на катоде. 17. Электролиз раствора сульфата натрия проводили в течение 5 ч при силе тока 7 А. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах. Какая масса воды при этом разложилась и чему равен объем газов (н.у.), выделившихся на катоде и аноде? 18. Электролиз раствора нитрата серебра проводили при силе тока 2 А в течение 4 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах. Какая масса серебра выделилась на катоде и каков объем газа (н.у.), выделившегося на аноде. 19. Электролиз раствора сульфата некоторого металла проводили при силе тока 6 А в течение 45 мин, в результате чего на катоде выделилось 5.49 г металла. Вычислите эквивалентную массу металла. 20. Насколько уменьшится масса серебряного анода, если электролиз раствора АgNО3 проводить при силе тока 2 А в течение 38 мин 20 с? Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на графитовых электродах. 21. Электролиз раствора сульфата цинка проводили в течение 5 ч, в результате чего выделилось 6 л кислорода (н.у.). Составьте уравнения электродных процессов и вычислите силу тока. 22. Электролиз раствора СuSО4 проводили с медным анодом в течение 4 ч при силе тока 50 А. При этом выделилось 224 г меди. Вычислите выход по току (отношение массы выделившегося вещества к теоретически возможной). Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах в случае медного и угольного анода. 23. Электролиз раствора NaI проводили при силе тока 6 А в течение 2.5 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах, и вычислите массу вещества, выделившегося на катоде и аноде. 24. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах при электролизе раствора нитрата серебра. Если электролиз проводить с серебряным анодом, то его масса уменьшается на 5.4 г. Определите расход электричества при этом. 25. Электролиз раствора СuSО4 проводили в течение 1.5 мин при силе тока 2.5 А, при этом выделилось 0.72 г меди. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах в случае медного и угольного анода. Вычислите выход по току (отношение массы выделившегося вещества к теоретически возможной). 26. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на графитовых электродах при электролизе расплавов и водных растворов NaCl и КОН. Сколько литров (н.у.) газа выделится на аноде при электролизе гидроксида калия, если электролиз проводить в течение 30 мин при силе тока 0,5 А. 27. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на графитовых электродах при электролизе раствора КBr. Какая масса вещества выделяется на катода и анода, если электролиз проводить в течение 1 ч 35 мин при силе тока 15 А. 28. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах при электролизе раствора хлорида меди (II). Вычислите массу меди, выделившейся на катоде, если на аноде вы делилось 560 мл газа (н.у.). 29. При электролизе соли трехвалентного металла при силе тока 1.5 А в течение 0.5 ч на катоде выделилось 1.071 г металла. Вычислите атомную массу металла. 30. При электролизе растворов сульфата магния и хлорида цинка, соединенных последовательно с источником тока, на одном из катодов выделилось 0.25 г водорода. Какая масса вещества выделится на другом катоде; на анодах? 31. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах при электролизе раствора Na2SО4. Вычислите массу вещества, выделяющегося на катоде, если на аноде выделяется 1.12 л газа (н.у.). Какая масса серной кислоты образуется при этом вблизи анода? 32. При электролизе раствора соли кадмия израсходовано 3434 Кл электричества. Выделилось 2 г кадмия. Чему равна эквивалентная масса кадмия? 33. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах при электролизе раствора КОН. Чему равна сила тока, если в течение 1 ч 15 мин 20 с на аноде выделилось 6.4 г газа? Сколько литров газа (н.у.) выделилось при этом на катоде. 34. Ванночка, имеющая длину 5 см и площадь поперечного сечения 2.5 см2, заполнена 1 М раствором едкого кали, степень диссоциации которого составляет 0.98. Подвижность катионов в растворе 0.003 см2/(Вс), а число переноса анионов 0.05. Найти ток, протекающий через раствор электролита, если приложенное напряжение 0.15 В. 35. Для полной очистки электролизом 2 л раствора от катионов Hg2+ ток силой 0.5 А пропустили через данный раствор в течение 40 минут. Какова исходная концентрация Hg2+ в электролите? 36. Металлическую пластинку размером 10100.5 см, помещенную в раствор сульфата железа (III), требуется покрыть со всех сторон слоем железа толщиной 10 мкм. Определить, сколько времени необходимо пропускать ток силой 7 А для получения требуемой толщины покрытия. Плотность железа 7.874 г/см3. Составьте уравнения электродных процессов. 37. Металлическую пластинку размером 10102 см, помещенную в раствор фосфата железа (II), требуется покрыть со всех сторон слоем железа толщиной 10 мкм. Определить сколько времени необходимо пропускать ток силой 7 А для получения требуемой толщины покрытия. Плотность железа 7.874 г/см3. Составьте уравнения электродных процессов. |