Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника


Электpохимические методы анализа (ЭМА).




ЭМА основаны на процессах, пpотекающих на электpодах или межэлектpодном пpостpанстве. Инстpументом для ЭМА служит электpохимическая ячейка, пpедставляющая собой сосуд с pаствоpом электpолита, в котоpый погpужены как минимум два электpода.

Электрохимические методы анализа имеют самостоятельное значение для прямого проведения химического анализа, но могут применяться как вспомогательные в других методах анализа. Например, использоваться в титриметрии для регистрации конца титрования не с помощью химического цветопеременного индикатора, а по изменению потенциала, электрической проводимости тока.

На принципах электролиза базируются кулонометрия, вольтамперометрия и электрогравиметрия.

Кулонометрия –измерение количества электричества, необходимого для полного превращения (окисления или восстановления) исследуемого вещества.

Вольтамперометрия – измерение стационарных или нестационарных поляризационных характеристик электродов в реакциях с участием исследуемого вещества.

Электрогравиметрия – измерение массы вещества, выделенного из раствора при электролизе.

 

4 Примеры решения задач

 

Пример 1. – Определите массу цинка, которая выделится на катоде при элек­тролизе раствора сульфата цинка в течение 1 ч при токе 26,8 А, если выход цинка по току равен 50 %.

 

Решение

Согласно закону Фарадея,

m = МэIt/96 500,

где mмасса вещества, окисленного или восстановленного на электроде, г; Мэмасса моля эквивалентов вещества, г ∕ моль;

I – ток, А;

t – продолжительность электролиза, с.

Масса моля эквивалентов цинка в ZnSO4 равна 65:2 = 32,5 г. Подставив в уравнение закона Фарадея числовые значения Мэ(Zn), I и t(3600 с), определим массу цинка, который должен выделиться:

mZn= 32,5·26,8·3600/96500 = 32,5 г.

Так как выход по току цинка составляет 50 %, то практически на катоде выде­лится цинка mпр = 32,5 × 50/100 = 16,25 г.

Пример 2 – Рассчитайте ток при электролизе раствора в течение 1 ч 40 мин 25 с, если на катоде выделилось 1,4 л водорода, измеренного при нормальных условиях (н.у.).

Решение.

Согласно закону Фарадея, имеем

I = m × 96 500/(Mэt).

Так как количество водорода дано в объемных единицах, то отношение m/Мэзаменяем отношением V(H2)/Vэ2),где V(H2) – объем водорода, л; Vэ2) объем моля эквивалентов водорода. Vэ2) = 11,2 л. Тогда

I = V(H2) × 96 500/(Vэ(H2) t).

Подставив в приведенную формулу числовые значения, получим

I = 1,4 × 96 500/(11,2 × 6025) = 2А.

Пример 3 Сколько граммов едкого кали образовалось у катода при элек­тролизе раствора K2SO4, если на аноде выделилось 11,2 л кислорода, измерен­ного при н.у.?

Решение

Объем моля эквивалентов кислорода равен 22,4/4 = 5,6 л. Следовательно, 11,2 л кислорода составляет 2 моль эквивалентов. Столько же – 2 моль эквивалентов КОН, образовалось у катода, или 56×2= 112 г (56 г – масса 1 моль эквивалентов КОН).

Пример 4 Какие реакции протекают на электродах при электролизе раство­ра сульфата цинка:

а) с графитовым анодом;

б) с цинковым анодом?

Как изме­нится количество цинка в растворе в обоих случаях, если через раствор пропу­скать ток силой 26,8 А в течение 1 ч? Выход по току цинка на катоде –50 %, на аноде –100%.

Решение

В водном растворе сульфата цинка протекает реакция дис­социации по уравнению

 

ZnSO4 = Zn2+ + SO42–.

Стандартный потенциал цинкового электрода меньше стандартного потенциала водородного электрода, поэтому можно ожидать выделения водорода на катоде. Однако в нейтральном растворе потенциал водородного электрода отрицательнее стандартного и равен –0,41 В. Кроме того, поляризация водо­родного электрода больше, чем поляризация цинкового электрода, поэтому про­исходит одновременное выделение водорода и цинка. На выделение цинка и водорода тратится по 50 % электричества. На цинковом аноде происходит только растворение цинка Zn – 2е-® Zn2+, так как потенциал выделения кислорода из воды в нейтральной среде положительнее потенциала цинкового электрода. Уравнения электродных процессов имеют вид:

А: Zn – 2е-® Zn2+ К: Zn2+ + 2е+ ® Zn;

2НОН +2е ® Н2↑ + 2ОН.

 

На графитовом аноде будет выделяться кислород, так как ион SO42– в этих условиях не окисляется. В этом случае электродные процессы имеют вид:

А: 2H2O – 4e– = O2↑ +4H+ К: Zn2+ + 2е+ ® Zn;

4H++ 2SO42– = 2H2SO42– 2H2O + е ® Н2 ↑+ 2ОН .

 

Таким образом, в электролизере с цинковым анодом на катоде осаждается цинк и выделяется водород, а на аноде растворяется цинк. В электролизере с графитовым электродом на катоде осаждается цинк и выде­ляется водород; на аноде выделяется кислород. В анодном пространстве образуется серная кислота.

По закону Фарадея при пропускании 26,8 А×ч электричества (1F) на элек­тродах испытывает превращение 1 моль эквивалентов вещества. Так как выход цинка на катоде составляет 50 %, то на нем выделится 0,5 моль эквивалентов цинка и количество цинка в электролите уменьшится также на 0,5 моль эквива­лентов. Если анод графитовый, то цинк в раствор не поступает и в процессе электролиза количество цинка в растворе уменьшится на 0,5 моль эквивалентов. Если анод цинковый, то при прохождении через него 26,8 А×ч электричества (1F) при 100-процентном выходе по току растворяется 1 моль эквивалентов цинка. Так как в раствор переходит 1 моль эквивалентов, а осаждается на катоде 0,5 моль эквивалентов цинка, то суммарное увеличение количества цинка в растворе равно 0,5 моль эквивалентов.

Контрольные вопросы и задачи

 

1 При пропускании тока 2 А в течение 1 ч 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, если выход по току 100 %, и что это за металл? Напишите уравнения реакций, протекающих на электродах.

2 Через раствор сульфата кадмия пропущено 25 А×ч электричества. При этом на катоде выделился кадмий массой 42,5 г. Напишите уравнения реак­ций, протекающих на электродах, рассчитайте выход по току кадмия.

3 Через раствор сульфата металла (II) пропустили 40 Кл электричества. При этом на катоде выделился металл массой 0,196 г. Выход металла по току на катоде – 80 %. Определите металл и составьте уравнения реакций, протекающих на электродах: для графитовых электродов; для металлических элек­тродов.

4 Через раствор сульфата железа (II) пропускали ток 13,4 А в течение 1ч. Определите массу железа, которая выделилась на катоде, если выход по току был равен 70 %. Напишите уравнения реакций, протекающих на электро­дах.

5 При электролизе сульфата натрия получили при н.у. водород объемом 448 л. Напишите уравнения реакций, протекающих на нерастворимых аноде и катоде, и рассчитайте, сколько времени протекал электролиз, если ток был 50 А.

6 Электролиз раствора К24 проводили с нерастворимыми электродами при токе 2,68 А в течение 1 ч. Составьте уравнения процессов, происходящих на электродах, вычислите объем выделяющихся при н.у. на электродах ве­ществ.

7 При электролизе раствора сульфата меди на аноде выделился кислород объемом 560 мл, измеренный при н.у. Сколько граммов меди выделилось на катоде?

8 Электролиз раствора сульфата цинка проводили с нерастворимыми ано­дами в течение 6,7 ч, в результате чего выделился кислород объемом 5,6 л, измеренный при н.у. Вычислите ток и массу осажденного цинка при выходе его по току 70 %.

9 Напишите уравнения реакций, протекающих на нерастворимых электро­дах при электролизе водного раствора КОН. Какие вещества и в каком объеме можно получить при н.у., если пропустить ток 13,4 А в течение 2 ч?

10 Сколько граммов H2SO4 образуется около нерастворимого анода при электролизе раствора Na2SO4, если на аноде выделяется кислород объемом 1,12 л, измеренный при н.у.? Вычислите массу вещества, выделяющегося на катоде.

11 Сколько граммов NaOH образовалось у катода при электролизе раствора сульфата натрия, если на катоде выделился водород объемом 5,6 л, измеренный при н.у.?

12 Сколько граммов RbOH образовалось у катода при электролизе раствора сульфата рубидия, если на катоде выделился водород объемом 1,12 л, изме­ренный при н.у.

 

13 Напишите уравнения реакций, протекающих на графитовом электроде при электролизе:

а) расплава хлорида кальция;

б) раствора хлорида кальция.

Сколько времени необходимо вести электролиз при токе 1А, чтобы на ка­тоде выделилось вещество массой 4 г (для случаев а и б)?

14 В двух электролизерах с графитовыми электродами происходит элек­тролиз:

а) раствора КОН;

б) расплава КОН.

Напишите уравнения электродных реакций, рассчитайте массу веществ, выделившихся на катодах при про­хождении 53,6 А×ч электричества.

15 Какие процессы идут на графитовых электродах при электролизе раствора КОН? Сколько граммов вещества выделится на электродах при про­хождении через раствор тока 6,7 А в течение 1 ч?

16 Напишите уравнения реакций, протекающих на электродах при элек­тролизе водного раствора сульфата никеля:

а) электроды никелевые;

б) элек­троды нерастворимые.

Каким должен быть ток, чтобы за 10 ч на катоде выде­лился никель массой 47 г при выходе его по току 80 %?

17 При электролизе раствора бромида меди (II) (нерастворимые электро­ды) на одном из электродов выделилась медь массой 0,635 г. Сколько граммов брома выделилось на другом электроде, если выход по току брома 90 %? Сос­тавьте уравнения реакций, протекающих на электродах.

 

Список литературы

1 Росин, И. В. Общая и неорганическая химия. Современный курс: учеб. пособие ∕ И.В.Росин, Л. Д. Томина. – Л. : Юрайт, 2012. – 1338 с.

2 Хомченко, И. Г. Общая химия : учебник / И. Г. Хомченко. – М.: Новая Волна, 2002. – 464 с.

3 Гольбрайх, З. Е. Сборник задач и упражнений по химии : учеб. пособие / З. Е. Гольбрайх, Е. И. Маслов. – 6-е изд. – М.: АСТ: Астрель, 2004. – 383 с.

4 Коровин, Н. В. Общая химия / Н.В. Коровин – М.: Высш. шк., 2010. – 559 с.

5 Глинка, Н. Л. Задачи и упражнения по общей химии / Н. Л. Глинка. – Л.: Химия, 2004. – 274 с.

6 Глинка, Н. Л. Общая химия / Н.Л. Глинка, В. А. Попков, А. В Бабков. – 18-е изд. – Л.: Юрайт, 2012. – 899 с.


 


Поделиться:

Дата добавления: 2015-08-05; просмотров: 499; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2024 год. (0.006 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты