Как найти время электролиза

Задачи по химии с решениями на законы электролиза

Расчет времени электролиза, с использованием формулы выхода по току

Задача 26.
При прохождении через раствор сульфата никеля (II) тока силой 2А масса катода увеличилась на 2,4 г. Рассчитайте время электролиза, если выход по току равен 0,8. 
Решение:
Э(Ni) = 58,6934/2 = 29.3467 г/моль;
(р-р)NiSO4;
I = 2A;
m_пр.(Ni) = 2,4г; 
n = 0,8;
t — ?
1) Химизм электролиза:

NiSO₄ = Ni⁺² + SO₄^2-
K(-) Ni⁺² + 2 = Ni⁰
A(+) 2H₂O – 4 = O₂ + 4H₊
2NiSO4 + 2H₂O (elekt. power) → 2Ni + O₂ + 2H₂SO₄

Отношение массы практически полученного вещества к теоретически рассчитанной массе, выраженное в процентах, называется выходом вещества по току. Его можно определть по формуле:

n = (m_пр ^. F)/Э^.I^.t

Подставив в данное уравнение известные значения рассчитаем время электролиза, получим:

t = (m_пр. ^. F)/Э^.I^.n = (2,4г ^. 96500 c^.A/моль)/(29,3467 г/моль ^. 2A ^. 0,8) = 4932 c.

Ответ: t = 4932c.
 

---

Определение состава соли, расплав которой подвергли электролизу

Задача 27
При действии постоянного тока силой 6,4А на расплав соли трехвалентного металла на катоде в течение 30 мин выделилось 1,07г металла, а на аноде – выделился газ, относительная плотность паров которого по гелию составляет 17,75. Определите состав соли, расплав которой подвергли электролизу.
Решение:
D(Не) = 17,75;
I = 6,4 A;
t = 30мин = 1800с; 
m(Me) = 1,07г; 
n = 3;
M(Me) = ?
соль — ?
на катоде : Me³⁺ + 3 =  Me⁰ 
на аноде : — ?
1) По условию: D(Не) = 17,75. Значит, M(газа) = D(Не) = M(He) ^. 17,75 = 4 г/моль ^. 17,75 = 71 г/моль. Из газообразных веществ такую молярную массу имеет гах хлор Cl₂, M(Cl₂) = 71 г/моль. Значит, на аноде выделяется газообразный хлор:
на аноде : 2Cl^– -2 = 2Cl₂⁰

По формуле объединенного закона электролиза:

m = Э^.I^.t/F = М^.I^.t/n^.F = K^.I^.t, где

Э – эквивалентная масса вещества (молярная масса эквивалента); F– постоянная Фарадея, равная 96500 Кл/моль или 96500 А^.с/моль;. I – сила тока, А; t – время проведения электролиза, с; М – молярная масса вещества; n – число отданных или принятых электронов; К – электрохимический эквивалент вещества.

 
Рассчитаем молярную массу металла М(Ме), получим:

М(Ме) = m(Me)^.n^.F/I^.t =  (1,07г ^.3 96500 А^.с/моль)/(6,4А^. 1800с) = 26,89 г/моль.

M(A1) = 27г/моль. Значит, соль – хлорид аммония A1Cl₃.

Ответ: хлорид аммония A1Cl₃.
 

---

Самостоятельное решение задач – боль многих студентов и школьников. Чтобы уменьшить ее, разберем несколько примеров решений задач на электрический ток в электролитах.

Наш телеграм – это полезная информация для всех учащихся, присоединяйтесь! Кстати, у нас есть и второй канал, где публикуется информация об акциях и приятных скидках, не упустите шанс воспользоваться ими.

Электрический ток в электролитах: задачи

Как решать задачи? Прочтите теорию (лучше несколько раз), вспомните памятку по решению физических задач, и вперед!

Задача на ток в электролитах №1

Условие

Проводящая сфера радиусом R = 5 см помещена в электролитическую ванну, наполненную раствором медного купороса. Насколько увеличится масса сферы, если отложение меди длится 30 минут, а электрический заряд, поступающий на каждый квадратный сантиметр поверхности сферы за 1 секунду, равен 0,01 Кл? Молярная масса меди М = 0,0635 кг/моль.

Решение

Площадь поверхности сферы вычислим по формуле:

Теперь можем вычислить общий заряд, перенесенный ионами за 30 минут:

Рассчитаем массу выделившейся меди:

Ответ: 2 грамма.

Задача на ток в электролитах №2

Условие

Электролиз длился один час при силе тока, равной 5 А. Чему равна температура выделившегося атомарного водорода, если при давлении, равном 10^5 Па, его объём равен 1,5 л? Электрохимическии эквивалент водорода принять равным k=1*10^-8 кг/Кл.

Решение

Согласно первому закону Фарадея, масса выделившегося водорода определяется по формуле:

Также эту массу можно выразить из уравнения Клапейрона-Менделеева:

Приравняем два выражения для массы и найдем температуру:

Ответ: 100 К.

Задача на ток в электролитах №3

Условие

В процессе электролиза под действием тока плотностью 300  А/м^2 на электроде выделился слой меди толщиной 0,03 мм. В течении какого времени протекал электролиз?

Решение

Время электролиза определим из закона Фарадея:

Масса равна плотности, умноженной на объем. Объем меди можно вычислить, зная толщину слоя и плотность. Запишем:

Силу тока выразим через плотность тока и площадь:

Подставим выражения для массы и силы тока в выражение для времени, упростим его и вычислим:

Ответ: 3000 секунд.

Плотность, как и значение электрохимического эквивалента, берутся из таблиц.

Задача на ток в электролитах №4

Условие

Зная электрохимический эквивалент серебра, определите электрохимический эквивалент золота.

Решение 

Для решения данной задачи будем применять второй закон Фарадея. Валентость золота и серебра, а также молярные массы этих элементов возьмем из таблицы Менделеева. Запишем известные величины:

Теперь запишем второй закон Фарадея для золота и серебра:

Разделим одно уравнение на другое и выразим искомую величину:

Ответ: 2,04*10^-6 кг/Кл.

Задача на ток в электролитах №5

Условие

Сколько электрической энергии понадобилось для получения серебра массой 0,2 кг, если КПД установки равен 0,8? Электролиз проводят при напряжении 20 В. Электрохимический эквивалент серебра возьмите из предыдущей задачи.

Решение

Энергия, которая идет только на электролиз, равна:

По закону Фарадея:

Полная затраченная энергия и энергия, затраченная только на электролиз, связаны выражением:

Отсюда:

Ответ: 4,46 МДж.

Вопросы на тему «Электрический ток в электролитах»

Вопрос 1. Что такое электролиты?

Ответ. Дадим определение и некоторые сведения об электролитах:

1. Электролиты – вещества, проводящие электрический ток вследствие электролитической диссоциации. 
2. Электролитическая диссоциация – процесс распада молекул на ионы. Диссоциация на ионы происходит в растворах и некоторых твердых кристаллах. 
3. К электролитам относятся кислоты, соли и некоторые кристаллы.
4. Носителями заряда в электролитах являются ионы. 

Электролит – широкое понятие, которое используется не только в физике, но также в биологии, химии и медицине. В разных отраслях науки это слово может иметь разные значения.

Вопрос 2. В чем состоит суть электролиза?

Ответ. Электролиз – окислительно-восстановительный процесс, происходящий на электродах, когда ток проходит через раствор электролита. На электродах выделяются части растворенных веществ и продукты вторичных реакций.

Вопрос 3. Сформулируйте первый закон Фарадея.

Ответ. Помимо прочего, Майкл Фарадей занимался задачей исследования проводимости электрического тока в электролитах. Первый закон Фарадея гласит:

Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, переданному на электрод.

Вопрос 4. Как звучит второй закон Фарадея?

Ответ. Второй закон Фарадея гласит:

Масса вещества, осевшего на электроде, прямо пропорциональна молярной массе элемента, деленной на электрохимический эквивалент вещества.

Вопрос 5. Что такое электрохимический эквивалент вещества?

Ответ. Электрохимический эквивалент вещества – количество вещества, которое должно выделиться во время электролиза на электроде, при прохождении через электролит заряда в 1 Кулон.

Нужна скорая помощь в решении задач и других заданий? Обращайтесь за ней в профессиональный сервис для учащихся.

1. Законы электролиза Фарадея и их применение для расчета количественных характеристик процесса электролиза

Электролизомназывается
совокупность электрохимических
окислительно-восстановительных реакций,
протекающих на электродах при прохождении
постоянного электрического тока через
раствор или расплав электролита. При
этом на катоде происходит процесс
восстановления,
а на аноде – окисления.
Катионы восстанавливаются в ионы более
низкой степени окисления или в атомы,
например:

Fe³⁺
+ e ^–
→ Fe²⁺
; (3.54)

Cu²⁺
+ 2 e ^–
→
Cu. (3.55)

Нейтральные
молекулы могут участвовать в превращениях
на катоде непосредственно или
взаимодействовать с продуктами катодного
процесса, которые рассматриваются в
этом случае как промежуточные вещества.
Например, восстановление воды:

2
H₂O
+ 2 e ^–
→ H₂
+ 2 OH^–. (3.56)

На
аноде окисляются ионы или молекулы,
поступающие из объема электролита,
например:

4 OH^–
– 4 e ^– →
2 H₂O
+ H₂; (3.57)

2
Cl^–
– 2 e ^–
→ Cl₂,– (3.58)

или
принадлежащие материалу анода. в
последнем случае анод растворяется,
например:

Cu
– 2 e
^–
→ Cu²⁺
(растворение
медного анода). (3.59)

Протекание
электродных реакций зависит от состава
и концентрации электролита, материала
электродов, электродного потенциала,
температуры, гидродинамических условий.

Процессы
электролиза описываются законами
Фарадея,
которые в объединенной форме читаются
следующим образом: массы
веществ, испытавших электрохимические
превращения на электродах, прямо
пропорциональны количеству протекшего
через электролит электричества и
электрохимическим эквивалентам этих
веществ:

(3.60)

где
m
– масса вещества, превратившегося на
электроде (выделившегося на электроде),

электрохимический
эквивалент
– величина характеризующая массу
продуктов электролиза, выделившихся
на электродах при прохождении через
электролит 1 Кл электричества;

Э
– химический
эквивалент вещества (эквивалентная
масса вещества) при окислительно-восстановительном
превращении, г/экв;

q
– количество
прошедшего электричества, Кл;

F
– число Фарадея (96485 Кл/г-экв) – количество
электричества, необходимое для химического
превращения (выделения на электроде) 1
г-экв вещества.

Так
как q
= I
·
τ (I
– сила тока, А; τ
– продолжительность электролиза, с),
то уравнение
закона Фарадея
может быть записано следующим образом:

(3.61)

Химический
эквивалент вещества (эквивалентная
масса вещества) при окислительно-восстановительном
превращении рассчитывается по формуле:

, (3.62)

где М– молярная
масса вещества, претерпевающего
превращение на электроде, г/моль;

n– количество электронов, участвующих
в одном акте химического превращения.

При
электрохимических процессах часто
наблюдаются отклонения от законов
Фарадея: масса действительно полученного
или разложившегося продукта не
соответствует теоретической. Эти
отклонения – кажущиеся и возникают за
счет одновременного протекания побочных
электрохимических процессов; химических
реакций, в которые вступает продукт;
потерь продукта и потерь электроэнергии
на преодоление сопротивления электролизера.
Эффективность электрохимического
процесса оценивается выходом
по току В_т:

(3.63)

Эта величина может быть выражена в
процентах:

.
(3.64)

Тогда
практическое количество вещества,
образующееся при электролизе рассчитывается
по формуле:

.
(3.65)

П
р и м е р 3.18. Какое количество алюминия
выделится при электролизе за время 12
ч, если сила тока I
=2,5 A, а выход по току составляет 88 %.
Молярная масса алюминия М,
равная его грамм-атомной массе А,
составляет 26,98 г/моль.

Р е ш е
н и е

Выделение алюминия при электролизе
происходит на катоде при прохождении
следующей реакции восстановления:

Al³⁺
+ 3 e ^–
= Al; n
=
3.

Химический эквивалент алюминия
рассчитываем по формуле (3.62):

Э
= М / 3 = 26,98 / 3 =
8,99 г/экв.

Продолжительность
электролиза τ
= 12 час = 12 ·
3600 = 43200 с.

По
объединенному закону Фарадея (3.61) находим
теоретическое количество алюминия,
выделяющееся при электролизе в указанных
условиях:

г.

Практическое
количество выделившегося при электролизе
алюминия находим с учетом величины В_Т
по формуле (3.65):

П
р и м е р 3.19. Определить время, необходимое
для выделения при электролизе 1,2 г меди,
если сила тока I
= 2 A,
а выход по току В_Т
= 96 %.

Р е ш е
н и е

На
основании формулы (3.64) находим, на какое
теоретическое количество меди необходимо
рассчитывать продолжительность
электролиза:

Выделение
меди при электролизе происходит на
катоде при прохождении следующей реакции
восстановления:

Сu²⁺
+ 2 e^–
= Cu; n
= 2.

Химический эквивалент меди рассчитываем
по формуле (3.62):

Э
= М / 2 = 63,54 / 2 =
31,77 г/экв.

Из уравнения закона Фарадея (3.61) находим
время процесса:

Соседние файлы в папке физическая химия 1

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #