Анодные процессы

На аноде легче окисляются электрохимически активные частицы с меньшим значением потенциала.

Анодные процессы зависят от материала анода, состава и вида электролита.

Аноды бывают растворимыми и нерастворимыми.

1. Растворимые аноды - это аноды из металлов, стоящих в ряду напряжения после алюминия (j^о(Ме) > j^о(Al)). Независимо от вида электролита (раствор или расплав), от вида аниона в электролите, растворимые аноды окисляются при электролизе:

А: (Ме): Ме - Zе ® Ме^z+ (52)

2. Нерастворимые (инертные) аноды (Pt, Au, C - графит) сами не окисляются при электролизе, а являются лишь приемником электронов от анионов. При этом анодный процесс зависит лишь от вида электролита:

а) Расплав электролита.

На нерастворимом аноде окисляются анионы независимо от их состава: SO₂

А(С): SO₄^2-- 2e ® SO₄⁰, (53)

или O₂

А(С): 2Сl^-- 2e ® Cl₂­. (54)

б) Раствор электролита.

При электролизе растворов, содержащих безкислородные анионы (Cl^-, Br^-, I^-, CN^-, кроме F^-), на аноде окисляются эти анионы:

АС): 2Br^-- 2e ® Br₂⁰ (55)

При электролизе растворов с кислоросодержащими анионами (SO₄^2-;NO₃^1-;NO₂^-; и т.д.) на аноде в зависимости от рН раствора окисляется вода или анионы ОН^-:

Анодный процесс:

а) рН £7 А(С): Н₂ О -4е ® О₂ + 4Н⁺ (56)

б) рН > 7 А(С): 4ОН^--4е ® О₂ + 2Н₂О (57)

При этом раствор у анода подкисляется, т.е. рН уменьшается.

4.3.ЗАКОНЫ ФАРАДЕЯ

Процессы превращения веществ на электродах подчиняются законам Фарадея:

1) Массы или объемы веществ, испытавшие электрохимические превращения на электродах, прямо пропорциональны количеству прошедшего электричества.

M(B) = (58),

Для газообразных веществ:

V⁰(A) = (59),

Где m(B) – масса вещества, претерпевшего электрохимическое превращение на электроде, г.

V⁰(A) – объем газообразного вещества при н.у., претерпевшего электрохимическое превращение на электроде, л.

М(В) – молярная масса вещества, г/моль,

V⁰_м –молярный объем газообразного вещества при н.у., равный 22,4л

Z – число электронов в электродном процессе, определяемое из соответствующего электродного процесса.

I×t =Q – количество электричества, пропущенное через электролизер, А×с.

I – сила тока, А.

t – время электролиза, с.

2) Массы или объемы прореагировавших на электродах веществ при постоянном количестве электричества относятся между собой, как молярные массы эквивалентов или молярные объемы эквивалентов этих веществ.

Учитывая, что = М_эк(В), = V⁰_эк(A), и преобразуя уравнения (58), (59), получаем при Q = const

= =

Пример11. При электролизе раствора CuSO₄ на графитовых электродах масса катода увеличилась на 10,58г. Определите объем газа, выделившегося на аноде (н.у.).

Решение. Для того, чтобы определить, какие вещества выделились на электродах, напишем уравнения диссоциации CuSO₄ и электродных процессов:

CuSO₄ D Cu²⁺ + SO₄^2-, pH < 7 из–за гидролиза

К(С): Сu²⁺ +2e® Cu⁰ z(Cu) = 2

A(C): 2H₂O – 4e ® O₂ + 4H⁺ z(O₂) =4

Следовательно, на катоде выделяется медь, на аноде – газ кислород.

М_эк(Cu) = = = 31,75г/моль

V⁰_эк(О₂) = = = 5,6л/моль

Поскольку при электролизе через катод и анод проходит одно и тоже количество электричества: Q = Q_a = Q_k, то

=

V⁰(О₂) = = = 1,866л

4.4. ВЫХОД ПО ТОКУ

При электролизе, вследствие побочных процессов, количество выделившегося вещества меньше, чем следует из закона Фарадея. К числу таких побочных процессов относятся: электродные реакции на катоде (выделение водорода) при электролизе водных растворов катионов металлов от марганца до свинца, нагревание электролита за счет его сопротивления и др. Для количественной оценки всех видов потерь используют выход по току (ВТ)

Если при электролизе протекают побочные реакции, например, при электролизе раствора ZnCl₂ наряду с цинком выделяется водород.

На катоде Zn⁺² +2e Zn ВТ₁

2H⁺ +2e H₂ ВТ₂

ВТ =ВТ₁ + ВТ₂

Выходом по току (BТ) называется отношение в процентах количества электричества, израсходованного при электролизе при выделении данного вещества к общему количеству электричества, прошедшего через раствор

BТ = Q_i/Q 100% (60)

или отношение массы фактически полученного продукта электролиза (m_опыт) к массе теоретически (m_теор.), рассчитанной по количеству прошедшего электричества в соответствие с законом Фарадея.

BТ =(m_опыт/ m_теор)×100% (61)

Пример12. Какие процессы протекают на электродах при электролизе раствора нитрата серебра с угольными электродами? Каково изменение массы катода и объем газа, выделившегося на аноде, если электролиз длится в течение 30 мин. при силе тока 3А, а ВТ_к =ВТ_а = 90%

Решение: Угольные электроды участия в электродных процессах не принимают. На катоде восстанавливаются катионы серебра, на аноде окисляются молекулы воды (NO₃^-, как кислородсодержащий анион, окисляется труднее воды).

К: (С): Ag⁺, H₂O: Ag⁺ + e® Ag

A: (C): 2H2O – 4e® O₂ + 4H⁺

Находим теоретическую массу серебра, которая должна выделится на катоде, используя формулу (58)

m_опыт.. = m(Ag) = = 6,04г

С учетом ВТ_к масса, выделившегося серебра составит

M_эксп. = 6,04×0,9 = 5,44г

Расчет теоретического объема кислорода, выделяющегося на аноде проводим по формуле (59), учитывая, что молярный объем эквивалента кислорода равен 5,6л.

V(O₂)_теор. = = = 0,31л.

Принимая во внимание ВТ_а

V(O₂)_опыт = 0,31×0,9 =0,28л

4.5. ЗАДАЧИ.

91. Определите на сколько граммов увеличится масса катода при электролизе в течение 1 часа раствора Ca(NO₃)₂ при силе тока 3 А. Напишите уравнения электродных процессов, если электроды выполнены из платины.

92. При электролизе раствора ZnCl₂ с графитовыми электродами в течение 1,5 часов при выходе по току ВТ_к = 60% масса катода увеличилась на 1,46 г. Определите силу тока, пропускаемого через электролизер и объем газа, выделившегося на аноде, если ВТ_а =ВТ_к. Напишите уравнения электродных реакций.

93. При электролизае раствора К₂SO₄ с графитовыми электродами при ВТ_А = ВТ_к =100% объем газа, выделившегося на катоде, составил 0,84л. Определите объем газа, выделившегося на аноде и напишите уравнения электродных реакций.

94. При пропускании через воду тока силой I = 20A на графитовом аноде выделилось 19.6л газа электричества Запишите уравнения электродных реакций, рассчитайте время электролиза и объем газа, выделившегося на аноде.

95. Рассчитайте объем газа, выделившегося на графитовом катоде (ВТ_к = 80%) при электролизе раствора KNO₃, если при пропускании тока 10А на графитовом аноде выделился 371л газообразного вещества (ВТ_а =90%). Напишите уравнения электродных реакций.

96. При электролизе раствора ZnCl₂ через электролизер было пропущено количество электричества Q= 48250Кл. При этом масса графитового катода увеличилась на 9,8г, а на графитовом аноде выделилось 2 л газообразного вещества. Напишите уравнения электродных реакций и рассчитайте ВТ_а и ВТ_к..

97. Определите на сколько граммов изменится масса анода при пропускании тока в 3А в течение 1 часа через раствор FeCl_2, если электроды выполнены из б) железа, а ВТ_а = 82 % Напишите уравнения электродных реакций.

98.При электролизе раствора FeCl₂ c платиновыми электродами на аноде выделилось 10 л газа при ВТ_а = 75%. Рассчитайте, на сколько граммов увеличится масса катода, если ВТ_к =80%.Напишите уравнения электродных реакций.

99. Рассчитайте, какой ток нужно пропустить через раствор СrCl₃ в течение 2,5 часов, чтобы масса графитового (С) катода увеличилась на 2,26г (ВТ_к = 70%). Рассчитайте объем газа, выделившегося на С-аноде. Напишите уравнения электродных реакций.

100. При электролизе раствора CuSO₄ с графитовыми электродами масса катода увеличилась на 1000г (ВТ_к = 95%).Напишите уравнения электродных реакций и рассчитайте объем газа, выделившегося на аноде., если ВТ_а = 98%.

101.При пропускании через раствор MgSO₄ количества электричества Q = 2423К на аноде выделилось 10³ л газа. Напишите уравнения электродных реакций и рассчитайте выход по току на аноде, если электроды выполнены из графита.

102. За 10 часов электролиза раствора MgCl₂ с графитовыми электродами масса катода увеличилась на 500 г. ВТ_к = 85%. Рассчитайте силу тока, пропускаемого через электролизер. Напишите уравнения электродных реакций.

103.Через раствор Ni(NO₃)₂ пропускался ток силой I = 3,5А в течение 2 часов. При условии, что ВТ_а = 80%, рассчитайте: а)изменение массы анода, если электроды выполнены из никеля, б) объем, выделившегося на аноде газа, если электроды выполнены из платины.

104. При электролизе раствора CoSO₄ масса катода увеличилась на 10³ г. при ВТ_к = 80% рассчитайте: а) количество электричества Q, прошедшего через электролизер, б) объем газа, выделившегося на графитовом аноде, в) изменение массы анода, если он выполнен из кобальта.

105. При пропускании тока I = 3,0А через раствор CuCl₂ масса катода увеличилась на 6 г (ВТ_к = 90%). Рассчитайте а) время электролиза и объем газа, выделившегося на аноде (ВТ_а = 90%), если электроды выполнены из графита, б) изменение массы анода, если он выполнен из меди.

106. При пропускании тока I=10А через электролизер с раствором Cr₂(SO₄)₃ масса катода увеличилась на 3 г. ВТ_к = 60%. Рассчитайте: а) время осуществления электролиза и объем газа, выделившегося на аноде, если электроды выполнены из: графита.

107. Через раствор NiSO₄ в течение времени t = 2 час. пропускался ток I=1А ВТ_к = 80% и ВТ_а = 80%. Рассчитайте изменение массы катода и объем газа, выделившегося на аноде, если электроды выполнены из графита. Напишите реакции, протекающие на электродах

108. При пропускании электрического тока через раствор CaCl₂ в течение 1 часа на аноде выделилось 4 л газообразного вещества. Рассчитайте силу току, пропущенного через электролизер, если электроды выполнены из графита. Запишите уравнения электродных реакций.

109. При пропускании тока силой I = 4А через раствор PbCl₂ масса катода увеличилась на 16 г. Рассчитайте время пропускания тока, t и объем газа, выделившегося на аноде, если электроды выполнены из графита.

110. Через раствор HgCl₂, пропущен ток I = 4 А в течение 1 часа. При этом масса катода увеличилась на 14,2 г. Рассчитайте ВТ_к и объем газа, выделившегося на аноде (V_a), если электроды выполнены из: а) графита, б) золота.

111. Через расплав NaJ пропущен ток силой I = 100A в течение 1 часа. Рассчитайте, как изменится масса катода, если электроды графитовые. ВТ_к = 100%.

112. Через раствор AgNO₃ пропускали ток силой I = 4A в течение 4 часов. Найдите изменение массы катода и объем газа, выделившегося на аноде, если ВТ_а=ВТ_к = 90%, а электроды выполнены из графита. Напишите уравнения электродных процессов, протекающих на электродах, выполненных из серебра.

113. При пропускании тока I = 3А в течение 1 часа через расплав КОН масса катода изменилась на 4,5 г. Рассчитайте ВТ_к и объем газа, выделившегося на аноде, если электроды графитовые. (ВТ_к = ВТ_а).

114. При электролизе через расплав NaCl было пропущено 8,64×10⁴Кл электричества. При этом на аноде выделилось 10⁵л хлора. Рассчитайте на сколько изменилась масса катода, если электроды выполнены из графита (ВТ_а = ВТ_к). Запишите уравнения электродных процессов, протекающих на графитовых электродах.

115.При электролизе раствора CdSO₄ в течение 2,5 часов масса катода изменилась на 21,25г. Рассчитайте силу тока, пропущенного через электролизер и объем газа, выделившегося на аноде, если электроды выполнены из: а) графита. ВТ_а = 75%, ВТ_к = 80%. Напишите уравнения электродных реакций.

116. При электролизе через раствор SnCl₂ было пропущено 24125Кл электричества. Рассчитайте изменение массы анода, если электроды выполнены из олова. Выход по току на оловянном электроде составляет 85%. Рассчитайте объем водорода, выделяющегося одновременно с осаждением Sn.

Таблица 1