Решение химических задач
на закон Фарадея в курсе
средней школы
Среди великого множества разнообразных химических задач, как показывает практика преподавания в школе, наибольшие затруднения вызывают задачи, для решения которых помимо прочных химических знаний требуется неплохо владеть материалом курса физики. И хотя далеко не в каждой средней школе уделяется внимание решению хотя бы простейших задач с использованием знаний двух курсов – химии и физики, задачи такого типа иногда встречаются на вступительных экзаменах в вузах, где химия является профилирующей дисциплиной. А потому, не разобрав задачи такого типа на уроках, учитель может неумышленно лишить своего ученика шанса на поступление в вуз на химическую специальность.
Эта авторская разработка содержит свыше двадцати задач, так или иначе связанных с темой «Электролиз». Для решения задач данного типа необходимо не только хорошо знать тему «Электролиз» школьного курса химии, но и знать закон Фарадея, который изучается в школьном курсе физики.
Возможно, эта подборка задач не будет интересна абсолютно всем ученикам в классе или всем доступна. Тем не менее задачи данного типа рекомендуется разобрать с группой заинтересованных учащихся на кружковом или факультативном занятии. Можно с уверенностью отметить, что задачи такого типа усложненные и по крайней мере не являются типовыми для школьного курса химии (речь идет о средней общеобразовательной школе), а потому задачи данного типа можно смело включать в варианты школьной или районной химической олимпиады для 10-х или 11-х классов.
Наличие подробного решения для каждой задачи делает разработку ценным подспорьем, особенно для начинающих учителей. Разобрав несколько задач с учащимися на факультативном занятии или занятии кружка, творчески работающий учитель непременно задаст несколько однотипных задач на дом и воспользуется данной разработкой в процессе проверки домашних заданий, что позволит существенно сэкономить бесценное учительское время.
Химические реакции, протекающие под действием электрического тока на электродах, помещенных в раствор или расплав электролита, называют электролизом. Рассмотрим пример.
В стаканчике при температуре около 700 °С находится расплав хлорида натрия NaCl, в него погружены электроды. До пропускания через расплав электрического тока ионы Na + и Cl – движутся хаотически, однако при наложении электрического тока движение этих частиц становится упорядоченным: ионы Na + устремляются к отрицательно заряженному электроду, а ионы Cl – – к положительно заряженному электроду.
Ион – заряженный атом или группа атомов, обладающая зарядом.
Катион – положительно заряженный ион.
Анион – отрицательно заряженный ион.
Катод – отрицательно заряженный электрод (к нему движутся положительно заряженные ионы – катионы).
Анод – положительно заряженный электрод (к нему движутся отрицательно заряженные ионы – анионы).
Электролиз расплава хлорида натрия на платиновых электродах
Электролиз водного раствора хлорида натрия на угольных электродах
или в молекулярной форме:
Электролиз водного раствора хлорида меди(II) на угольных электродах
В электрохимическом ряду активности металлов медь расположена правее водорода, поэтому медь и будет восстанавливаться на катоде, а на аноде будет окисляться хлор.
Электролиз водного раствора сульфата натрия на платиновых электродах
Аналогично происходит электролиз водного раствора нитрата калия (платиновые электроды).
Электролиз водного раствора сульфата цинка на графитовых электродах
Электролиз водного раствора нитрата железа(III) на платиновых электродах
Электролиз водного раствора нитрата серебра на платиновых электродах
Электролиз водного раствора сульфата алюминия на платиновых электродах
Электролиз водного раствора сульфата меди на медных электродах – электрохимическое рафинирование
Концентрация CuSO4 в растворе остается постоянной, процесс сводится к переносу материала анода на катод. В этом и заключается сущность процесса электрохимического рафинирования (получение чистого металла).
При составлении схем электролиза той или иной соли нужно помнить, что:
– катионы металлов, имеющие больший стандартный электродный потенциал (СЭП), чем у водорода (от меди до золота включительно), при электролизе практически полностью восстанавливаются на катоде;
– катионы металлов с небольшими значениями СЭП (от лития до алюминия включительно) не восстанавливаются на катоде, а вместо них восстанавливаются молекулы воды до водорода;
– катионы металлов, у которых значения СЭП меньше, чем у водорода, но больше, чем у алюминия (от алюминия до водорода), при электролизе на катоде восстанавливаются одновременно с водой;
– если водный раствор содержит смесь катионов различных металлов, например Ag + , Cu 2+ , Fe 2+ , то в этой смеси первым восстановится серебро, затем медь и последним – железо;
– на нерастворимом аноде в процессе электролиза происходит окисление анионов или молекул воды, причем анионы S 2– , I – , Br – , Cl – окисляются легко;
– если в растворе находятся анионы кислородсодержащих кислот 
, 
, 
, 
, то на аноде окисляются молекулы воды до кислорода;
– если анод растворим, то при электролизе он сам подвергается окислению, т. е. посылает электроны во внешнюю цепь: при отдаче электронов смещается равновесие между электродом и раствором и анод растворяется.
Если из всего ряда электродных процессов выделить только те, которые отвечают общему уравнению
то получим ряд напряжений металлов. В этот ряд всегда помещают также водород, что позволяет видеть, какие металлы способны вытеснять водород из водных растворов кислот, а какие нет (табл.).
Ряд напряжений металлов
| Уравнение электродного процесса | Стандартный электродный потенциал при 25 °С, В | Уравнение электродного процесса | Стандартный электродный потенциал при 25 °С, В |
|---|---|---|---|
| Li + + 1e = Li 0 | –3,045 | Co 2+ + 2e = Co 0 | –0,277 |
| Rb + + 1e = Rb 0 | –2,925 | Ni 2+ + 2e = Ni 0 | –0,250 |
| K + + 1e = K 0 | –2,925 | Sn 2+ + 2e = Sn 0 | –0,136 |
| Cs + + 1e = Cs 0 | –2,923 | Pb 2+ + 2e = Pb 0 | –0,126 |
| Ca 2+ + 2e = Ca 0 | –2,866 | Fe 3+ + 3e = Fe 0 | –0,036 |
| Na + + 1e = Na 0 | –2,714 | 2H + + 2e = H2 | 0 |
| Mg 2+ + 2e = Mg 0 | –2,363 | Bi 3+ + 3e = Bi 0 | 0,215 |
| Al 3+ + 3e = Al 0 | –1,662 | Cu 2+ + 2e = Cu 0 | 0,337 |
| Ti 2+ + 2e = Ti 0 | –1,628 | Cu + +1e = Cu 0 | 0,521 |
| Mn 2+ + 2e = Mn 0 | –1,180 | Hg2 2+ + 2e = 2Hg 0 | 0,788 |
| Cr 2+ + 2e = Cr 0 | –0,913 | Ag + + 1e = Ag 0 | 0,799 |
| Zn 2+ + 2e = Zn 0 | –0,763 | Hg 2+ + 2e = Hg 0 | 0,854 |
| Cr 3+ + 3e = Cr 0 | –0,744 | Pt 2+ + 2e = Pt 0 | 1,2 |
| Fe 2+ + 2e = Fe 0 | –0,440 | Au 3+ + 3e = Au 0 | 1,498 |
| Cd 2+ + 2e = Cd 0 | –0,403 | Au + + 1e = Au 0 | 1,691 |
В более простом виде ряд напряжений металлов можно представить так:
Для решения большинства задач на электролиз требуется знание закона Фарадея, формульное выражение которого приведено ниже:
где m – масса выделившегося на электроде вещества, F – число Фарадея, равное 96 485 А•с/моль, или 26,8 А•ч/моль , М – молярная масса элемента, восстанавливающегося в процессе электролиза, t – время проведения процесса электролиза (в секундах), I – сила тока (в амперах), z – число электронов, участвующих в процессе.
1. Какая масса никеля выделится в процессе электролиза раствора нитрата никеля в течение 1 ч при силе тока 20 А?
2. При какой силе тока необходимо проводить процесс электролиза раствора нитрата серебра, чтобы в течение 10 ч получить 0,005 кг чистого металла?
3. Какая масса меди выделится при электролизе расплава хлорида меди(II) в течение 2 ч при силе тока 50 А?
4. В течение какого времени нужно проводить процесс электролиза водного раствора сульфата цинка при силе тока 120 А, чтобы при этом получить 3,5 г цинка?
5. Какая масса железа выделится в процессе электролиза раствора сульфата железа(III) при силе тока 200 А в течение 2 ч?
6. При какой силе тока необходимо проводить процесс электролиза раствора нитрата меди(II), чтобы в течение 15 ч получить 200 г чистого металла?
7. В течение какого времени необходимо проводить процесс электролиза расплава хлорида железа(II) при силе тока 30 А, чтобы при этом получить 20 г чистого железа?
8. При какой силе тока необходимо проводить процесс электролиза раствора нитрата ртути(II), чтобы в течение 1,5 ч получить 0,5 кг чистого металла?
9. При какой силе тока необходимо проводить процесс электролиза расплава хлорида натрия, чтобы в течение 1,5 ч получить 100 г чистого металла?
10. Расплав хлорида калия подвергли электролизу в течение 2 ч при силе тока 5 А. Полученный металл прореагировал с водой массой 2 кг. Какой концентрации раствор щелочи получился при этом?
11. Сколько граммов 30%-го раствора соляной кислоты потребуется для полного взаимодействия с железом, полученным при электролизе раствора сульфата железа(III) в течение 0,5 ч при силе тока
10 А?
12. В процессе электролиза расплава хлорида алюминия, проводимого в течение 245 мин при силе тока 15 А, получили чистый алюминий. Сколько граммов железа можно получить алюминотермическим методом при взаимодействии данной массы алюминия с оксидом железа(III)?
13. Сколько миллилитров 12%-го раствора КОН плотностью 1,111 г/мл потребуется для взаимодействия с алюминием (с образованием тетрагидроксиалюмината калия), полученным электролизом раствора сульфата алюминия в течение 300 мин при силе тока 25 А?
14. Сколько миллилитров 20%-го раствора серной кислоты плотностью 1,139 г/мл потребуется для взаимодействия с цинком, полученным электролизом раствора сульфата цинка в течение 100 мин при силе тока 55 А?
15. Какой объем оксида азота(IV) (н.у.) получится при взаимодействии избытка горячей концентрированной азотной кислоты с хромом, полученным электролизом раствора сульфата хрома(III) в течение 100 мин при силе тока 75 А?
16. Какой объем оксида азота(II) (н.у.) получится при взаимодействии избытка раствора азотной кислоты с медью, полученной электролизом расплава хлорида меди(II) в течение 50 мин при силе тока 10,5 А?
17. В течение какого времени необходимо проводить электролиз расплава хлорида железа(II) при силе тока 30 А, чтобы получить железо, необходимое для полного взаимодействия со 100 г 30%-го раствора соляной кислоты?
18. В течение какого времени необходимо проводить электролиз раствора нитрата никеля при силе тока 15 А, чтобы получить никель, необходимый для полного взаимодействия с 200 г 35%-го раствора серной кислоты при нагревании?
19. Расплав хлорида натрия подвергли электролизу при силе тока 20 А в течение 30 мин, а расплав хлорида калия подвергли электролизу в течение 80 мин при силе тока 18 А. Оба металла растворили в 1 кг воды. Найдите концентрацию щелочей в полученном растворе.
20. Магний, полученный электролизом расплава хлорида магния в течение 200 мин при силе тока
10 А, растворили в 1,5 л 25%-го раствора серной кислоты плотностью 1,178 г/мл. Найдите концентрацию сульфата магния в полученном растворе.
21. Цинк, полученный электролизом раствора сульфата цинка в течение 100 мин при силе тока
17 А, растворили в 1 л 10%-го раствора серной кислоты плотностью 1,066 г/мл. Найдите концентрацию сульфата цинка в полученном растворе.
22. Железо, полученное электролизом расплава хлорида железа(III) в течение 70 мин при силе тока 11 А, превратили в порошок и погрузили в 300 г 18%-го раствора сульфата меди(II). Найдите массу меди, выпавшей в осадок.
23. Магний, полученный электролизом расплава хлорида магния в течение 90 мин при силе тока
17 А, погрузили в раствор соляной кислоты, взятый в избытке. Найдите объем и количество выделившегося водорода (н.у.).
24. Раствор сульфата алюминия подвергли электролизу в течение 1 ч при силе тока 20 А. Сколько граммов 15%-го раствора соляной кислоты потребуется для полного взаимодействия с полученным алюминием?
25. Сколько литров кислорода и воздуха (н.у.) потребуется для полного сжигания магния, полученного электролизом расплава хлорида магния в течение 35 мин при силе тока 22 А?
Ответы и решения см. в следующих номерах
Источник
