Электролиз водных растворов солей

Порядок выполнения работы. Клеммы "+", "-" выпрямителя соедините соответственно с клеммами стенда с надписью «Вход» длинными проводами. Короткими проводами соедините клеммы с надписью «Выход» с электродами, закрепленными в крышке. В химический стакан налейте соответствующий электролит, закройте крышкой с электродами. Для измерения силы тока по амперметру переведите рычаг на стенде в максимальное положение. Угольные электроды, бывшие в употреблении, тщательно зачистите наждачной бумагой.

Напишите отчет по следующей схеме:

1. Зарисуйте прибор, в котором осуществляется электролиз.

2. Напишите уравнения реакций, происходящих на аноде и катоде, и ответьте на вопросы соответствующего опыта.

3. Вычислите массу вещества, выделившегося на катоде и аноде, с учетом времени электролиза и показаний амперметра (время электролиза определяется преподавателем).

4. Вычислите выход по току (определите вес угольного стержня до опыта и после).

 

Опыт 1. Электролиз водного раствора сульфата натрия с инертным анодом.

Опустите в стакан с раствором сульфата натрия угольные электроды, соединенные с клеммами стенда. Что наблюдается на аноде и катоде? В катодное пространство капните несколько капель фенолфталеина. Как изменилась окраска раствора? Наличие какой среды подтверждает фенолфталеин? В анодное пространство капните несколько капель лакмуса. Как изменилась окраска раствора? Наличие какой среды подтверждает лакмус? Напишите уравнение реакций катодного и анодного процессов, протекающих при электролизе водного раствора сульфата натрия. Какой газ выделяется на катоде, аноде?

Опыт 2. Электролиз водного раствора сульфата цинка с инертным анодом.

Опустите в стакан с раствором сульфата цинка угольные электроды, соединенные с клеммами стенда. Что наблюдается на аноде и катоде? В анодное пространство капните несколько капель лакмуса. В какой цвет окрашивается раствор в анодном пространстве, почему? Какой газ выделяется на аноде и катоде?

 

Опыт 3. Электролиз раствора сульфата меди с активным анодом.

В стакан с водным раствором сульфата меди опустите угольный и медный электроды, соединенные с клеммами стенда. Какие процессы осуществляются на катоде и аноде? Напишите уравнения реакций. Выньте электроды и поменяйте их местами: медный электрод сделайте катодом, а угольный с имеющимся налетом меди – анодом. Какие процессы осуществляются на аноде и катоде? Напишите уравнения реакций. Какой газ выделяется на графитовом аноде после исчезновения медного налета?

 

Опыт 4. Электролиз водного раствора сульфата никеля с инертным анодом.

Опустите в стакан с водным раствором сульфата никеля угольные электроды, соединенные с клеммами стенда. Какое вещество выделяется на катоде? Какие газообразные вещества выделяются на катоде и аноде? Напишите уравнения реакций катодного и анодного процессов.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Какие процессы проходят при электролизе расплавов СоС1₂, К₂SO₄, КОН?

2. Какие процессы проходят при электролизе водных растворов Pb(NO₃)₂, NiCl₂, KNO₃?

3. Водный раствор содержит смесь катионов: Сu²⁺, Zn²⁺,Ag⁺. В какой последовательности они будут восстанавливать­ся при электролизе?

4. Сколько серебра выделится при пропускании через раствор AgNО₃ тока 8 А за 15 мин?

5. Какие вещества и в каком количестве образуются при пропускании тока 6 А в течение 1 ч через раствор КОН?

6. Сколько электричества надо пропустить черев раст­вор NaCl, чтобы получить 1 кг NаОН?

7. Вычислите объем хлора, выделенного при электролизе NaCl током 10 А в течение 65 ч.

8. Одинаковыми ли будут продукты электролиза растворов солей: а) NaJ и CaCl₂; б) Na₂SО₄ и KNО₃; в) MnSO₄ и Мn(NО₃)₂? Ответ обоснуйте соответствующими уравнениями реакций.

9. При рафинировании меди током в 25 А выделяется за 4 ч 112 г меди. Рассчитайте выход по току.

10. Какие процессы проходят при электролизе расплава и раствора KJ; CuSО₄; Zn(NО₃)₂?

11. Почему при электролизе расплава хлорида калия и его водного раствора на электродах образуются разные ве­щества? Напишите схему процессов, происходящих на катоде и аноде.

12. Почему при электролизе водных растворов нитрата кальция и гидроксида натрия на электродах образуются одни и те же вещества? Приведите схему протекающих при этом процессов.

13. При электролизе водных растворов каких из приве­денных веществ происходит разложение воды: в нитрате калия, хлориде натрия, серной кислоте, хлориде меди, сульфате цин­ка, гидроксиде калия, гидросульфате натрия?

14. Сколько граммов меди выделится на катоде при электролизе водного раствора хлорида меди, если пропус­кать ток силой 5 А в течение часа?

15. При пропускании электрического тока в течение 10 мин через раствор соли серебра на катоде выделилось 0,1 моль серебра. Вычислите силу тока.

Тест для подготовки к экзамену

 

1. Какие продукты образуются на катоде при электролизе водного раствора сульфата натрия?

1) Na;

2) Н₂;

3) NaOH;

4) Н₂ и NaOH.

 

2. Какие продукты образуются на аноде при электролизе водного раствора хлорида натрия?

1) Cl₂;

2) О₂;

3) Н₂;

4) Cl₂ и О₂.

 

3. Стандартные электродные потенциалы натрия, цинка, железа, меди равны соответственно -2,71 В; -0,76 В; -0,44 В; +0,34 В. Какие металлы получают при электролизе расплава?

1) цинк;

2) железо;

3) натрий;

4) медь.

 

4. Какие продукты образуются на катоде при электролизе водного раствора сульфата цинка?

1) Zn;

2) Н₂;

3) Zn и Н₂;

4) О₂.

 

5. Как называется процесс, когда металлический электрод подсоединен к аноду при электролизе?

1) электролиз с инертным катодом;

2) электролиз с активным анодом;

3) электролиз с инертным анодом;

4) электролиз с активным катодом.

 

6. Стандартные электродные потенциалы калия, натрия, алюминия и меди равны соответственно -2,92 В; -2,71 В; -1,70 В; +0,34 В. Какой металл получают при электролизе водного раствора электролита?

1) натрий;

2) калий;

3) алюминий;

4) медь.

 

7. Какие вещества образуются на катоде при электролизе водного раствора сульфата железа (II)?

1) Fe;

2) H₂;

3) Fe и H₂;

4) Fe(OH)₃.

 

8. Какие процессы протекают на аноде при электролизе?

1) восстановление;

2) окисление;

3) окисление и восстановление.

4) разложение.

 

9. Какой вид энергии преобразуется в химическую при электролизе?

1) тепловая;

2) химическая;

3) электрическая;

4) световая.

 

10. Какие вещества образуются на катоде при электролизе водного раствора сульфата цинка?

1) Zn;

2) Zn(OH)₂;

3) Zn и H₂;

4) H₂.

 

11. Стандартные электродные потенциалы магния, алюминия, никеля равны соответственно - 2,37 В; - 1,70 В; - 0,23 В. Какой металл получают при электролизе водного раствора электролита?

1) Al;

2) Ni;

3) Mg;

4) все металлы одновременно.

 

12. Какие вещества образуются на катоде при электролизе водного раствора сульфата меди?

1) Cu(OH)₂;

2) CuO;

3) Cu;

4) H₂.

 

13. Какие вещества образуются на аноде при электролизе водного раствора хлорида никеля?

1) H₂;

2) O₂;

3) Cl₂;

4) Ni.

 

14. Стандартные потенциалы окисления анионов SO₄^2-; I^- и воды равны соответственно + 2,01 В; + 0,54 В; + 1,23 В. Что окисляется на аноде при электролизе водного раствора электролита?

1) SO₄^2-;

2) I^-;

3) H₂O;

4) SO₄^2- и H₂O.

 

15. Какое вещество является активным анодом при электролизе?

1) дерево;

2) графит;

3) металл;

4) стекло.

 

16. Какие вещества образуются на катоде при электролизе водного раствора сульфата натрия?

1) Na;

2) NaOH;

3) H₂;

4) H₂ и NaOH.

 

17. Какой металл получают только из расплава электролита при электролизе? Стандартные электродные потенциалы алюминия, цинка и еди равны соответственно - 1,66 В; - 0,76 В; + 0,34 В.

1) медь;

2) алюминий;

3) цинк;

4) все металлы одновременно.

 

18. Какое вещество является инертным анодом при электролизе?

1) металл;

2) графит;

3) стекло;

4) дерево.

 

19. Как называют метод очистки металлов при электролизе с активным анодом?

1) тонкая очистка металлов;

2) очистка металлов химическим методом;

3) электролитическое рафинирование;

4) метод термического разложения.

 

20. Какие вещества образуются на аноде при электролизе водного раствора сульфата кальция?

1) O₂;

2) H₂;

3) SO₄^2-;

4) H₂ и O₂.

 

21. Какой формулой выражается первый закон Фарадея?

1) m = kQ;

2) m = kЕ;

3) m = nRT;

4) m =Q^/ / Q × 100 %.

22. Какие вещества образуются на катоде при электролизе водного раствора сульфата магния?

1) Mg;

2) H₂;

3) Mg(OH)₂;

4) H₂ и Mg(OH)₂.

 

23. Какие вещества образуются на аноде при электролизе водного раствора иодида меди?

1) H₂;

2) O₂;

3) I₂;

4) H₂O.

 

24. Стандартные потенциалы окисления ионов F^-, ионов SO₄^2- и воды равны соответственно + 2,87 В; + 2,01 В; + 1,23 В. Что окисляется на аноде?

1) SO₄^2-;

2) F^-;

3) H₂O;

4) F^- и H₂O.

 

25. Какие вещества образуются на катоде при электролизе водного раствора нитрата калия?

1) H₂;

2) O₂;

3) H₂ и КОН;

4) H₂O.

 

Ответы на тест:

Номер вопроса
Вариант ответа
Номер вопроса
Вариант ответа
Номер вопроса
Вариант ответа

КОРРОЗИЯ И ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ

Известно, что металлы обладают ценными свойствами. Однако они имеют крупный недостаток, т.к. подвержены коррозии. Коррозия в переводе с латинского означает разъедание, разрушение.

Коррозия металлов – это нежелательный процесс. Из-за коррозии преждевременно выходят из строя сложные конструкции, станки, транспорт, трубопроводы, различное оборудование. Поэтому предупреждение коррозии – важная задача. Для того чтобы предупредить коррозию, надо знать ее сущность и механизм протекания.

Коррозией называется процесс разрушения металлов при физико-химическом взаимодействии их с окружающей средой.

Коррозия – самопроизвольный процесс, сопровождающийся уме-ньшением энергии Гиббса (ΔG < 0). По механизму протекания коррозионного процесса различа­ют химическую и электрохимическую коррозию. При химической коррозии происходит прямое взаимодействие металла с окислителем окружающей среды. Наиболее сильными окислителями являются: кислород, фтор, хлор, диоксид серы и др. Многие металлы легко взаимодействуют с сероводородом, хлористым водородом. Например, в воздухе, содержащем сероводород, на серебряных изделиях образуется сульфидная пленка Ag₂S.

Электрохимическая коррозия – разрушение металлов в электролитной среде под действием внутренних микро- или макрогальванических пар или внешней разности потенциалов. Чистые металлы почти не подвергаются электрохимической коррозии. В состав любого технического металла, как правило, входят катодные и анодные примеси, что обусловливает возникновение микропар коррозионного элемента.

При погружении такого металла в раствор электролита, в частности в раствор кислоты, на поверхности микрокатодов будет выделяться газообразный водород. Количество выделившегося водорода является в данном случае мерой скорости коррозии и зависит от суммарного тока, возникшего в коррозионной системе. Если предположить, что токи, протекающие через микроэлементы, приблизительно равны между собой, то объем выделившегося водорода будет пропорционален количеству микропар, имеющихся на по­верхности металла, т.е. его неоднородности.

Примером электрохимической коррозии может служить коррозия омедненного же­леза в кислой среде. Анодом является железо

(φ° = - 0,44 В), электролитом – HС1.

На аноде: Fe⁰ - 2e^- → Fе²⁺.

На катоде: 2Н⁺ + 2e^- → H₂⁰.

Суммарная реакция анодного и катодного процессов:

Fе⁰ + 2Н⁺ → Fе²⁺ + H₂⁰.

Чем больше разность потенциалов между металлом-ано­дом и металлом-катодом, тем сильнее идет электрохимичес­кая коррозия. Накопление продуктов коррозии ослабляет ее. При накоплении, например, водорода на катоде потенциал ка­тода уменьшается (поляризация катода), что снижает ЭДС мик­рогальванического элемента. В присутствии же кислорода про­исходит связывание водорода (деполяризация): 2Н₂ + О₂ → 2Н₂О. Электрохимическая коррозия идет дальше.

В нейтральных и щелочных средах в катодных процессах важную роль играет растворенный кислород – более сильный окислитель, чем ионы водорода:

О₂ + 2Н₂О - 4е^- → 4ОH^-.

Состав электролита влияет на скорость электрохимичес­кой коррозии: так, в кислой среде коррозия усиливается с ростом концентрации ионов водорода. Вода, содержащая кисло­род, опаснее в коррозионном отношении, чем вода, не содер­жащая его. Ускоряют коррозию ионы галогенов и различные окислите­ли. Накопление продуктов коррозии – солей, гидроксидов – так­же влияет на скорость процесса. При образовании плотных ок­сидных пленок коррозия замедляется (Ni, Cr, Al, Zn, Ti).

Частным случаем электрохимической коррозии является электрическая коррозия, вызываемая блуждающими токами. Она приводит к разрушению подземных металлических сооружений.

Оба типа коррозионных процессов определяются термоди­намическим изменением энергии Гиббса:

ΔG = - RTlnK_p = - nEF.

Процессы высокотемпературной химической коррозии определяются константой равновесия обратимых гетерогенных реакций, для их исследования используют первую часть равенства.

ΔG = - RTlnK_p.

Для исследования электрохимической коррозии применяют второе выражение (ΔG = -nЕF), содержащее разность потенциа­лов и величину заряда, перенесенного растворяющимся ве­ществом.

Скорость коррозии измеряется в единицах массы m поте­рянного металла с единицы площади S в единицу времени t:

W = m/St.

Скорость процесса коррозии выражается в следующих единицах измерений: мг/(м² год), мг/(м² ч). Скорость коррозии может измеряться толщиной слоя потерянного металла за единицу времени (мм/ч, мм/год и т.д.).

W = ΔL/t,

где ΔL – толщина слоя потерянного металла; t – время.

Существуют разнообразные способы борьбы с коррозией: покрытие металлов защитными лакокрасочными и полимерными пленками, покрытие металла другим металлом, более активным (анодное покрытие), менее активным (катодное покрытие), пассивация металлов путем создания на их поверхности оксидных или других непроницаемых пленок, применение ингибиторов, электрозащита, метод протекторов.

 

Лабораторная работа № 5