Электролиз раствора йодида калия KI

 

Йодид калия находится в растворе в виде ионов К⁺ и I^-. При пропускании тока ионы К⁺ передвигаются к катоду, ионы I^- – к аноду. Но так как калий стоит в ряду напряжений гораздо левее водорода, то у катода разряжаются не ионы калия, а водородные ионы воды. Образующиеся при этом атомы водорода соединяются в молекулы Н₂, и таким образом у катода выделяется водород.

По мере разряда ионов водорода диссоциируют все новые молекулы воды, вследствие чего у катода накапливаются гидроксильные ионы (освобождающиеся из молекулы воды), а также ионы К⁺, непрерывно перемещающиеся к катоду. Образуется раствор КОН.

У анода происходит выделение йода, т. к. ионы I^- разряжаются легче, чем гидроксильные ионы воды.

Электролиз раствора сульфата калия

 

Раствор содержит ионы K⁺, SO₄^2- и ионы Н⁺ и ОН^- из воды. Так как ионы K⁺ разряжаются труднее, чем ионы Н⁺, а ионы SO₄^2-, чем ионы ОН^-, то при пропускании электрического тока у катода будут разряжаться ионы водорода, у анода - гидроксильные группы, то есть фактически будет происходить электролиз воды. В то же время вследствие разряда водородных и гидроксильных ионов воды и непрерывного перемещения ионов K⁺ к катоду, а ионов SO₄^2- к аноду, у катода образуется раствор щелочи (КОН), а у анода – раствор серной кислоты.

 

Электролиз раствора сульфата меди при медном аноде

 

Особым образом протекает электролиз, когда анод сделан из того же металла, соль которого находится в растворе. В этом случае никакие ионы не разряжаются у анода, но сам анод постепенно растворяется, посылая в раствор ионы и отдавая электроны источнику тока.

Весь процесс сводится к выделению меди на катоде и постепенному растворению анода. Количество CuSO₄ в растворе остается неизменным.

 

Законы электролиза (М. Фарадей)

 

1. Весовое количество выделяемого при электролизе вещества пропорционально количеству протекшего через раствор электричества и практически не зависит от других факторов.

 

2. Равные количества электричества выделяют при электролизе из различных химических соединений эквивалентные количества веществ.

 

3. Для выделения из раствора электролита одного грамм-эквивалента любого вещества нужно пропустить через раствор 96500 кулонов электричества.

 

m_(x) = ((I • t) / F) • (M_(x) / n)

 

где m_(x) - количество восстановленного или окисленного вещества (г);

I - сила пропускаемого тока (а);

t - время электролиза (с);

M_(x) - молярная масса;

n - число приобретенных или отданных в окислительно-восстановительных реакциях электронов;

F - постоянная Фарадея (96500 кул/моль).

 

Исходя из этой формулы, можно производить ряд расчетов, связанных с процессом электролиза, например:

 

1. Вычислять количества веществ, выделяемых или разлагаемых определенным количеством электричества;

 

2. Находить силу тока по количеству выделившегося вещества и времени, затраченному на его выделение;

 

3. Устанавливать, сколько времени потребуется для выделения определенного количества вещества при заданной силе тока.

 

Пример 1

Сколько граммов меди выделится на катоде при пропускании через раствор сернокислой меди СuSO₄ тока силой 5 ампер в течение 10 минут?

 

Решение

Определим количество протекшего через раствор электричества:

 

Q = I • t,

 

где I – сила тока в амперах;

t – время в секундах.

 

Q = 5A • 600 с = 3000 кулонов

 

Эквивалент меди (ат. масса 63,54) равняется 63,54: 2 = 31,77. Следовательно, 96500 кулонов выделяют 31,77 г меди. Искомое количество меди:

 

m = (31,77 • 3000) / 96500» 0,98 г

 

Пример 2

Сколько времени нужно пропускать через раствор кислоты ток силой 10 ампер, чтобы получить 5,6 л водорода (при н. у.)?

 

Решение

Находим количество электричества, которое должно пройти через раствор, чтобы из него выделилось 5,6 л водорода. Так как 1 г-экв. водорода занимает при н. у. объем 11,2л, то искомое количество электричества

 

Q = (96500 • 5,6) / 11,2 = 48250 кулонов

 

Определим время прохождения тока:

 

t = Q / I = 48250 / 10 = 4825 с = 1 ч 20 мин 25 с

 

Пример 3

При пропускании тока через раствор серебряной соли на катоде выделилось за 10 мин. 1 г серебра. Определите силу тока.

 

Решение

1 г-экв. серебра равен 107,9 г. Для выделения 1 г серебра через раствор должно пройти 96500: 107,9 = 894 кулона. Отсюда сила тока

 

I = 894 / (10 • 60)» 1,5A

 

Пример 4

Найти эквивалент олова, если при токе 2,5 ампера из раствора SnCl₂ за 30 мин. выделяется 2,77 г олова.

 

Решение

Количество электричества, прошедшее через раствор за 30 мин.

 

Q = 2,5 • 30 • 60 = 4500 кулонов

 

Так как для выделения 1 г-экв. требуется 96500 кулонов, то эквивалент олова.

 

Э_Sn = (2,77 • 96500) / 4500 = 59,4

ВОДОРОД

Водород H - первый элемент в периодической системе, самый распространённый элемент во Вселенной (92%); в земной коре массовая доля водорода составляет всего 1%.

Впервые выделен в чистом виде Г. Кавендишем в 1766 г. В 1787г. А.Лавуазье доказал, что водород - химический элемент.

Атом водорода состоит из ядра и одного электрона. Электронная конфигурация - 1S¹. Молекула водорода двухатомная. Связь ковалентная неполярная.

 

Радиус атома - (0,08 нм);

потенциал ионизации (ПИ) - (13,6 эВ);

электроотрицательность (ЭО) - (2,1);

степени окисления ­­- (-1; +1).

 

Изотопы:

 

	Н - протий (99,98% по массе);

 

	D - дейтерий (0,02%);

 

	T - тритий (получен искусственно).

 

Физические свойства.

 

Водород - газ, бесцветный, без запаха; t°_кип = -253°C; t°_пл = -259°C; почти не растворяется в воде (в 100V H₂O растворяется 2V H₂); легче воздуха. D (по воздуху) = 0,069.

 

Способы собирания.

Вытеснением воды	Вытеснением воздуха

 

 

Получение

 

1) взаимодействие активных металлов с кислотами - неокислителями:

 

Zn + 2HCl ® ZnCl₂ + H₂­

 

2) взаимодействие алюминия (или цинка) с водными растворами щелочей:

 

2Al + 2NaOH + 6H₂O ® 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂­

 

3) электролиз воды и водных растворов щелочей и солей:

 

2H₂O ® 2H₂­+ O₂­

2NaCl + 2H₂O ® H₂­+ Cl₂­+ 2NaOH

 

4) пропускание паров воды над раскалённым углём при 1000°C:

 

C + H₂O «CO + H₂

 

5) конверсия метана при 900°C:

CH₄ + H₂O «CO + 3H₂

 

Методы (1,2) используют в лаборатории, (3-5) используют в промышленности.

 

Химические свойства

 

При обычных условиях малоактивен (реагирует только с фтором)

 

Восстановительные свойства:

 

1) с неметаллами:

2H₂⁰ + O₂ ® 2H₂⁺¹O

(со взрывом при поджоге)

 

H₂⁰ + S –^150-250°® H₂⁺¹S

 

 

3H₂⁰ + N₂ ^p;t°® 2NH₃⁺¹

(в присутствии железного катализатора)

 

H₂⁰ + F₂ ® 2HF

(со взрывом)

 

H₂ + I₂ ^t°® 2H⁺¹I^-1

 

 

2) с оксидами металлов:

H₂⁰ + СuO –^t°® Cu + H₂O

 

(метод получения малоактивных металлов Pb, Mo, W, Ni, Cu и др. из их оксидов)

 

Окислительные свойства

 

3) с щелочными и щелочноземельными металлами:

 

H₂⁰ + 2Li⁰ ® 2Li⁺¹H^-1

H₂⁰ + Ca⁰ ® Ca⁺²H₂^-1

 

Гидриды MeH_n - сильные восстановители за счёт водорода в степени окисления (-1). Разлагаются водой и кислотами:

 

NaH + H₂O ® NaOH + H₂­

CaH₂ + 2H₂O ® Ca(OH)₂ + 2H₂­

LiH + HCl ® LiCl + H₂­

 

Применение

 

1) Для промышленного синтеза NH₃, HCl, CH₃OH (реакцией CO + 2H₂ –^p;t°;kat® CH₃OH)

 

2) Восстановление редких металлов из оксидов (W, Mo и др.).

 

3) Гидрирование органических соединений (в частности, гидрогенизация растительных масел в твёрдые жиры).

 

4) Для сварки и резки металлов водородно-кислородным пламенем.

 

ВОДА

Вода H₂O - самое распространённое в природе химическое соединение.

 

Запасы воды на Земле:

в морях и океанах - 1,4 млрд. км³

в ледниках - 30 млн. км³

в реках и озёрах - 2 млн. км³

в атмосфере - 14 тыс. км³

в живых организмах - 65%

 

Молекула полярна; угол -104,5°; связь O–H ковалентная полярная.

Вода является дипольным растворителем (растворяет многие газы, жидкие и твёрдые вещества).

Между молекулами воды - водородные связи:

 

 

 

Аномалии воды

 

1) Лёд плавает на поверхности водоёма, (льда) = 0,92 г/см³, max (воды) при +4°С = 1г/см³

2) При замерзании воды происходит расширение объёма.

3) Самая большая теплоёмкость (в 3100 раз больше, чем у воздуха; в 4 раза больше, чем у горных пород).

 

Кислотно-основные свойства

 

1) Слабый электролит:

H₂O «H⁺ + OH^-

 

2) Вода – амфотерное вещество. Она реагирует как с основными оксидами (оксидами щелочных и щелочноземельных металлов), так и с кислотными оксидами (кроме SiO₂).

 

Li₂O + H₂O ® 2LiOH

MgO + H₂O ® Mg(OH)₂

SO₃ + H₂O ® H₂SO₄

 

3) Гидролиз некоторых солей приводит к их полному разложению:

 

Al₂S₃ + 6H₂O ® 2Al(OH)₃¯ + 3H₂S­

Al₂(CO₃)₃ + 6H₂O ® 2Al(OH)₃¯ + 3H₂O + 3CO₂­

 

4) Вода разлагает гидриды, фосфиды, карбиды, нитриды и некоторые другие бинарные соединения активных металлов с неметаллами:

 

CaH₂ + 2H₂O ® Ca(OH)₂ + 2H₂­

Ca₃P₂ + 6H₂O ® 3Ca(OH)₂ + 2PH₃­

CaC₂ + 2H₂O ® Ca(OH)₂ + C₂H₂­

Ca₃N₂ + 6H₂O ® 3Ca(OH)₂ + 2NH₃­

 

5) Молекулы воды с некоторыми солями дают кристаллогидраты:

 

CuSO₄(белый) + 5H₂O ® CuSO₄ 5H₂O(синий)