Электролиз раствора сульфата меди

Теоретические основы. При пропускании электрического тока через растворы или расплавы электролитов на электродах происходят окислительно-восстановительные процессы, называемые электролизом.

В растворах или расплавах электролита, например МХ, происходит процесс электролитической диссоциации:

МХ М^а+ + Х^а

Образующиеся ионы под действием сил электростатического притяжения перемещаются к противоположно заряженным электродам, где участвуют в окислительно-восстановительных процессах. В них могут также участвовать ионы водорода (в кислой среде) и молекулы воды.

Процессы, проходящие на катоде (отрицательно заряженном электроде). Этот электрод имеет избыток электронов, на нем происходят процессы восстановления:

а). Восстановление катиона металла (или катиона водорода): М^а+ + а е М⁰

2Н⁺ + 2е Н₂

б). Восстановление молекул воды:

2Н₂О + 2е Н₂ + 2ОН

Если металл в ряду напряжений стоит после олова (Sn), в кислой среде - после водорода, то возможен только процесс восстановления металла (водорода) (а).

Если металл в ряду напряжений стоит до алюминия (Аl), то возможен только процесс восстановления молекул воды (б).

Если металл в ряду напряжений стоит между алюминием и оловом, то оба процесса идут одновременно.

Если электролизу подвергается раствор смеси солей (и кислот), то первыми на катоде будут восстанавливаться менее активные ионы (стоящие правее в ряду напряжений).

Процессы, проходящие на аноде (положительно заряженном электроде). На этом электроде существует недостаток электронов, поэтому идут процессы окисления, в которых могут участвовать ионы соли, молекулы воды и непосредственно анод.

а). Если анод растворимый (металлический, кроме анодов, изготовленных из золота и платины), то идет процесс окисления (растворения) анода: - m e A^m+

б). Если анод нерастворимый (неметаллический, в частности угольный, а также золотой или платиновый), а анион представляет собой остаток бескислородной кислоты (Сl ; Br ; I ; S² ), кроме аниона F , то идет процесс окисления аниона, например, 2Сl + 2е Cl₂

в). Если анод нерастворимый (неметаллический, в частности угольный, а также золотой или платиновый), а анион имеет сложный состав (SO₄² ; NO₃ ) или F , то идет процесс окисления молекул воды (в щелочной среде - гидроксильных групп ОН ): 2Н₂О - 4е О₂ + 4Н⁺

4ОН - 4е О₂ + 2Н₂О

Пример. Электролиз раствора нитрата калия на медном аноде.

Диссоциация раствора нитрата калия: KNO₃ K⁺+NO₃

Катод: K⁺; H₂O.

Процесс, происходящий на катоде: 2Н₂О+2е Н₂ +2ОН

Анод: NO₃ , H₂O, анод медный - растворимый.

Процесс, происходящий на аноде: - 2e Cu²⁺

В общем виде, уравнивая число электронов, участвующих в процессах окисления и восстановления, процесс электролиза нитрата калия на медном аноде можно записать в следующем виде:

+2Н₂О H₂ +Cu(OH)₂

Количественно электролиз описывается законами Фарадея: 1. Масса выделяющегося на электроде вещества пропорциональна количеству электричества, протекающего через раствор: m = kIt = kQ, где k - коэффициент пропорциональности, I - сила тока, протекающего через раствор, t - время электролиза (сек), Q - количество электричества (Q=It).

2. Для выделения на электроде 1 эквивалента любого вещества необходимо затратить одно и то же количество электричества, равное числу Фарадея: F = 96500 Кл моль ¹. Обобщая оба закона Фарадея, можно записать: m =

Реально выделяющееся при электролизе количество вещества меньше, чем рассчитанное теоретически по вышеприведенной формуле. Выход по току: h =

Цель работы. Изучить электролиз раствора сульфата меди на медном аноде, рассчитать выход по току.

Порядок работы.

1. Зачистите наждачной бумагой медный электрод и измерьте его массу с точностью до 0,01 г.

2. Присоедините медные электроды к источнику постоянного тока (электрод с известной массой - к катоду), опустите электроды в стакан с раствором сульфата меди.

3. Включите секундомер одновременно с источником тока. Установите и поддерживайте силу тока 2,5 А в течение всего времени электролиза (время электролиза указывает преподаватель).

4. По окончании электролиза отключите источник тока, отсоедините катод, промойте его в ацетоне и высушите в токе теплого воздуха, держа в 30-40 см над газовой горелкой.

5. Охладите катод до комнатной температуры и определите его массу после электролиза.

6. Рассчитайте теоретический выход меди и выход по току.

Форма лабораторного отчета.

1. Название лабораторной работы.

2. Краткое описание, цель работы.

3. Электрохимические процессы, происходящие при электролизе раствора сульфата меди на медном аноде.

4. Экспериментальные данные:

а) сила тока I =......

б) время электролиза t =....

в) масса катода до электролиза m₁ =....

г) масса катода после электролиза m₂ =....

5. Расчеты:

а) практический (экспериментальный) выход меди m_практ.=....

б) теоретический выход меди (рассчитывается по формуле закона Фарадея) m_теор. =....

в) выход по току h =....

Типовые задачи.

1. Написать уравнения реакций, протекающих при электролизе расплавов следующих электролитов с инертным анодом: а) CuCl₂; б) K₂S; в) NaOH; г) AlF₃.

2. Написать уравнения реакций, протекающих при электролизе растворов следующих электролитов: а) CuSO₄, анод инертный; б) NiCl₂, анод Au; в) Na₂SO₄, анод C; г) AgNO₃, анод Cu; д) KCl, анод Al.

3. В каком порядке будет проходить восстановление ионов на катоде при электролизе водного раствора, содержащего смесь нитратов серебра, никеля и натрия?

4. Какое количество электричества потребуется для выделения из раствора: а) 2 г водорода; б) 2,25 л кислорода (н.у.)?

5. Какой объем кислорода (условия нормальные) выделится при пропускании тока силой 6 А в течение 30 мин. через водный раствор гидроксида калия?

6. Сколько времени потребуется для полного разложения 2 моль воды током силой 2 А?

7. При электролизе водного раствора NaOH на аноде выделилось 2,8 л кислорода (н.у.). Какой объем водорода, измеренный в тех же условиях, выделится на катоде?

8. За 10 мин. Из раствора хлорида платины ток силой 5 А выделил 1,517 г металла. Вычислить молярную массу эквивалента платины и установить состав соли.

9. При прохождении через раствор соли трехвалентного металла тока силой 1,5 А в течение 30 мин. на катоде выделилось 1,071 г металла. Вычислить молярную массу металла.

10. При электролизе раствора нитрата серебра током силой 7,0 А в течение 8,5 мин. масса катода увеличилась на 2,59 г. Найти выход по току.

11. При электролизе раствора сульфата меди током силой 87,0 А в течение 68,5 мин. масса катода увеличилась на 0,72 г. Найти выход по току.