Электролиз с растворимым анодом

При электролизе используют инертные аноды (Pt, графит), реже иридий, золото, тантал. В качестве растворимых анодов могут быть Cu, Ni, Cd, Al и другие металлы. При этом виде электролиза анод – металл окисляется (растворяется), образующиеся катионы металла перемещаются к катоду и на нем восстанавливаются до металла. Таким образом, металл растворимого анода осаждается на катоде. Электролиз с растворимым анодом имеет важное техническое значение, в частности широко применяется для очистки металлов – электрорафинирования.

Законы Фарадея

Протекание первичных анодных и катодных процессов подчиняется законам, установленным М. Фарадеем.

1-й закон Фарадея: масса вещества m, выделяемая на электроде электрическим током, прямо пропорциональна количеству электричества Q, прошедшего через электролит:

m = К_э× Q или m = К_э× I×t, (17.1)

где Q = I×t, I – сила тока, А; t – время пропускания тока, с; К_э – электрохимический эквивалент, равный количеству вещества, кг, выделяемого при прохождении 1 кулона (Кл) или 1 ампер×секунды (А×с) электричества. Как следует из 2-го закона Фарадея, электрохимический эквивалент вещества таков

(17.2)

здесь m_э – эквивалентная масса вещества, г/моль.

2-й закон Фарадея: массы различных веществ, выделяемых одним и тем же количеством электричества, прямо пропорциональны их эквивалентным массам m_э:

. (17.3)

Для выделения на электроде одного эквивалента любого вещества необходимо затратить одно и то же количество электричества, а именно 96487 Кл, называемое числом Фарадея. Число Фарадея F равно произведению числа Авогадро на заряд электрона: F = N_A × e = 96487.

Из законов Фарадея следует, что

(17.4)

где m – масса вещества, образовавшегося или подвергнувшегося превращению, г; m_э – эквивалентная масса этого вещества, г/моль; I – сила тока, А; t –продолжительность электролиза, с.

При практическом проведении электролиза некоторая часть электроэнергии затрачивается на побочные процессы, в частности на преодоление сопротивления электролита. Важной характеристикой рентабельности работы электролизера является выход по току (h, %):

(17.5)

где m_пр – масса практически выделенного вещества; m_теор – масса вещества, которая теоретически должна выделиться по уравнению (17.4).

Выход по току (%) можно рассчитать по формуле

(17.6)

где Q_теор – количество электричества, необходимое по закону Фарадея для выделения данного количества вещества; Q_пр – количество электричества, практически затраченного на выделение того же количество вещества.

На процесс электролиза существенно влияет плотность тока, т. е. величина тока I, приходящаяся на единицу рабочей поверхности электрода S. Плотность тока (выражается в А/см² или А/дм²):

(17.7)

Пример 1. При электролизе раствора NaCl было получено 400 см³ раствора, содержащего 18 г NaOH. За то же время в кулонометре выделилось 20,2 г меди из раствора сульфата меди. Определить выход по току.

Решение. Используем закон эквивалентов:

откуда

(теоретическое количество щелочи). По условию m_пр = 18 г, тогда выход по току

Пример 2. Ток, проходя через раствор кислоты, выделяет за 6 мин 120 см³ Н₂, измеренного при температуре 17 °С и давлении 98910 Па. Найти силу тока.

Решение. По уравнению Менделеева - Клайперона найдем массу водорода:

Силу тока находим по обобщенной формуле закона Фарадея (17.4):

Пример 3. Вычислить катодную плотность тока на цилиндрическом электроде диаметром 3 см, высотой 5 см при силе тока 0,4 А.

Решение. Поверхность электрода S = p × d × h = 3,14 × 3 × 5 = 47,1 см², плотность тока

ЗАДАЧИ

17.1. Ток силой 2,2 А проходит через раствор медного купороса в течение 2 ч. Какова масса выделившейся меди?

Ответ: 5,216 г.

17.2. Сколько граммов серной кислоты образуется при электролизе раствора медного купороса в течение 3 ч 10 мин при силе тока 0,56 А?

Ответ: 3,245 г.

17.3. Через раствор FeCl₂ пропускали ток силой 3 А в течение 12 мин, а через раствор FeCl₃ за это же время - ток силой 4 А. В каком из растворов масса выделившегося железа больше?

Ответ: больше из FeCl₂.

17.4. Через соединенные последовательно растворы SnCl₂ и SnCl₄ пропускали в течение 10 мин ток силой 3 А. Вычислить массы олова и хлора, выделившихся из каждого раствора в отдельности.

Ответ: Sn – 1,105 г и 0,554 г; Cl₂ – 0,6613 г.

17.5. Через раствор иодида бария пропускают ток силой 5,2 А в течение 18 мин. Какие реакции протекают на электродах? Какие вещества и в каких количествах выделятся на электродах?

Ответ: H₂ – 0,058665 г; I₂ – 7,387 г.

17.6. Сколько граммов КОН образуется при электролизе раствора КСl, если на аноде выделилось 10,85 л хлора, объем которого измерен при 22 °С и 99 975 Па?

Ответ: 49,64 г.

17.7. Какие процессы происходят на электродах при электролизе раствора NiSO₄, если оба электрода сделаны из никеля? Как изменится масса анода после пропускания тока силой 3,2 А в течение 30 мин?

Ответ: уменьшится на 1,752 г.

17.8. Какие процессы протекают на электродах при электролизе сульфата кадмия (электроды нерастворимые)? Какие вещества и в каком количестве выделяются на электродах при прохождении через раствор тока силой 3,6 А в течение 42 мин?

Ответ: Cd – 5,283 г; O₂ – 0,7521 г.

17.9. Сколько времени надо пропускать электрический ток через раствор соли серебра, чтобы покрыть с двух сторон пластинку размером 4´6 см² слоем серебра толщиной 0,02 мм, если сила тока 0,6 А, а плотность серебра 10,5 г/см³?

Ответ: 25 мин 2 с.

17.10. Вычислить силу тока, выделяющего за 30 мин из раствора серной кислоты 380 см³ гремучего газа, измеренного при 22 °С и 99975 Па. (Гремучий газ – смесь H₂ и O₂ в объемном соотношении 2:1.)

Ответ: 1,105 А.

17.11. Электрический ток, проходя в течение 7 мин через бездиафрагмный электролизер (рис. 19, а), содержащий разбавленную серную кислоту, выделяет 50 см³ гремучего газа, измеренного при 18 °С и 99442 Па. Рассчитать силу тока. (Гремучий газ – смесь H₂ и O₂ в объемном соотношении 2:1).

Ответ: 0,623 А.

17.12. Какой силы ток надо пропускать через 0,12 н. раствор Bi(NO₃)₃, чтобы в течение 30 мин полностью выделить металл из 40 см³ раствора?

Ответ: 0,26 А.

17.13. Через раствор медного купороса пропускали электрический ток в течение 30 мин. При этом выделилось 0,25 г меди. Амперметр показывал 0,4 А. Определить ошибку (D) в показаниях амперметра.

Ответ: показания меньше на 0,0217 А.

17.14. Через раствор соли серебра пропускали электрический ток в течение 1 ч. При этом выделилось 0,4830 г серебра. Амперметр показывал 0,09 А. Какова относительная ошибка в его показаниях?

Ответ: 25 %.

17.15. При электролизе раствора медного купороса образовалось 6,35 г меди. Какой газ и в каком количестве (по объему) выделился на аноде, если он измерен при 25 °С над водой при давлении 99980 Па? Давление водяных паров при этой температуре равно 3172,6 Па. Сколько времени продолжался электролиз, если сила тока была 0,2 А?

Ответ: O₂ – 1,278 л; 26 ч 47 мин.

17.16. Сколько кислорода, см³, при н. у. выделится при электролизе раствора серной кислоты током силой 2,6 А за 4 мин?

Ответ: 36,01 см³.

17.17. Сколько водорода, см³, при н. у. выделится при электролизе раствора Na₂SO₄ током силой 2,4 А за 5 мин 45 с?

Ответ: 96,1 см³.

17.18. Сколько кислорода, см³, при н. у. должно выделиться на аноде за время, в течение которого отложилось на катоде 0,1324 г серебра при одной и той же силе тока?

Ответ: 6,871 см³.

17.19. Электрический ток силой 1 А проходит в течение 1 ч через раствор CuSO₄ (электроды нерастворимые). Определить количества выделившейся меди, г, и образовавшейся серной кислоты в растворе (в молях) за указанное время, если выход по току равен 90 %.

Ответ: Cu – 1,067 г; H₂SO₄ – 1,68×10^-2 моль.

17.20. Какие процессы протекают при электролизе водного раствора КСl? Вычислить, какое количество гидроксида калия получится при пропускании тока силой 10 А в течение 6 ч 20 мин, если выход по току составляет 60 %.

Ответ: 79,39 г.

17.21. Какой силы ток надо пропускать через расплавленный NaOH в течение 3 ч 30 мин, чтобы получить 22 г металлического натрия при выходе по току 40 %?

Ответ: 18,32 А.

17.22. Вычислить время, необходимое для получения электролизом 1 т алюминия при силе тока 20000 А и выходе по току 80 %.

Ответ: 186 ч 18 мин 20 с.

17.23. В растворе находилось 0,2 моль HgCl₂ и 0,3 моль СuС1₂. Какие вещества и в каком количестве выделятся на угольных электродах, если через раствор пропускать ток силой 10 А в течение 2 ч? Что останется в растворе? (Ответ: выделится а) на катоде Hg – 40,12 г и Cu – 11,0 г; б) на аноде 26,44 г Cl₂. Останется в растворе 8,06 г Cu и 1,57 г Cl^-).

17.24. Смешали 20 см³ 0,1 н. AgNO₃ и 20 см³ 0,6 н. Cu(NO₃)₂. Через раствор пропустили ток силой 0,3 А в течение 1 ч. Какие вещества и в каком количестве выделятся на угольных электродах? Что останется в растворе?

Ответ: выделится: а) на катоде Ag – 0,2158 г и Cu – 0,2923 г; б) на аноде 0,0896 г O₂. Останется в растворе 0,089 г Cu и 0,173 г NO₃^-.

17.25. Металлический предмет общей поверхностью 100 см² требуется покрыть слоем никеля 0,2 мм. Плотность никеля 8,9 г/см³. Какова плотность тока и сколько времени потребуется его пропускать при силе тока 3 А, если 10 % тока теряется в аппаратуре?

Ответ: 3 A/дм²; 6 ч 1 мин 20 с.

17.26. Стальную пластинку размером 10´20 см² требуется электролитически покрыть с одной стороны слоем хрома толщиной 0,025 мм из раствора Cr(NO₃)₃. Вычислить катодную плотность тока и время, необходимое для получения данного покрытия, если пропускать ток силой 0,18 А. Плотность хрома 6,92 г/см³.

Ответ: 0,09 А/дм²; 29 ч 43 мин 20 с.

17.27. Вычислить анодную и катодную плотности тока, если через раствор пропускали ток силой 2,1 А; электроды выполнены в виде прямоугольных листов с размерами анода 5´8 см², катода 10´20 см². (Толщиной пластин пренебречь.)

Ответ: 2,625 А/дм²; 0,525 А/дм².

17.28. При электролизе раствора соли никеля в течение 4 ч 30 мин катод с площадью поверхности 10 см² покрылся слоем никеля толщиной 0,025 мм. Вычислить силу тока и катодную плотность тока, если выход по току составил 81 %. Плотность никеля 8,9 г/см³.

Ответ: 0,05576 А; 0,5576 А/дм².

17.29. Рассчитать силу тока, который можно пропускать через раствор с цилиндрическим катодом, чтобы не превысить катодную плотность тока 0,2 А/см². Высота катода 5 см, а диаметр цилиндра 3 см.

Ответ: не более 9,42 А.

17.30. Для полного выделения цинка из 1,1250 г цинковой руды после соответствующей обработки потребовалось 9,5 мин при силе тока 1,1 А. Определить содержание оксида цинка в руде, % мас.

Ответ: 23,51 %.