Растворы. дисперсные системы 4 страница

6.4. При электролизе раствора данной соли металла током I, А, масса катода возросла на m г. Учитывая, что выход металла по току B_i, %, рассчитайте, какое количество электричества и в течение какого времени пропущено. Составьте схему электролиза.

Т а б л и ц а 6.4

Вариант	Формула соли	I, A	m, г	Bi (Me), %
	AuCl3	0,3	0,92
	FeCl2	0,9	0,77
	SnBr2	2,1	0,84
	CuSO4	0,79	0,62
	AgNO3	1,94	0,31
Окончание табл. 6.4
	CdBr2	3,79	0,88
	MnCl2	1,12	0,94
	CoCl2	1,5	1,12
	CrCl3	2,11	1,18
	In(NO3)3	3,17	0,64
	SbF3	0,99	0,77
	CdCl2	1,77	0,84
	NiSO4	1,1	0,12
	Co(NO3)2	0,9	0,2
	ReCl3	1,94	0,91
1’	PdSO4	2,03	1,17
2’	CdI2	3,11	1,42
3’	SbCl3	4,0	1,50
4’	CoSO4	4,4	1,39
5’	CrBr3	3,5	1,44
6’	InCl3	4,4	1,61
7’	MnSO4	2,1	0,92
8’	SnCl4	1,1	0,89
9’	CdSO4	1,8	0,97
10’	CrCl2	1,9	0,95
11’	InBr3	3,1	0,85
12’	PdCl2	4,2	1,32
13’	Ni(NO3)2	1,7	1,43
14’	Cr(NO3)3	1,5	1,11
15’	CuCl2	1,9	1,18

6.5. Установите, в какой последовательности вероятно восстановление на катоде при электролизе данных ионов, пользуясь значениями стандартных электродных потенциалов и перенапряжений. Объясните, когда возможно совместное восстановление металла и водорода на катоде. Чем отличается последовательность электрохимических реакций на аноде от аналогичной последовательности на катоде?

Т а б л и ц а 6.5

Вариант	Ионы	Вариант	Ионы
	Zn2+,Ag+,Pb2+,Cr3+,H+	1’	Nd3+,Sn4+,Cr2+,Ni2+,H+
	Mn2+,Co2+,Fe2+,Cd2+,H+	2’	In3+,Fe3+,Zn2+,Pb2+,H+
	H+,Cu2+,Sn2+,Au3+,Sb3+	3’	Cr3+,Mo2+,Fe2+,Cd2+,Sn2+
	Re3+,Pd2+,Sn4+,H+,Cu2+	4’	Au3+,Re3+,Sn4+,H+,Cd2+
Окончание табл. 6.5
	H+,Cr2+,Ni2+,In3+,Fe3+	5’	Zn2+,Ag+,Cr3+,Fe3+,H+
	H+,Zn2+,Pb2+,Mn2+,Fe2+	6’	Au3+,Sb3+,Sn4+,H+,Fe3+
	Cu2+,H+,Au3+,Re3+,Pb2+	7’	Fe3+,In3+,Ni2+,Cr2+,H+
	Sn4+,Ni2+,Fe3+,H+,Cr2+	8’	Sn4+,Re3+,Sb3+,H+,Ni2+
	Zn2+,Cr3+,Fe2+,Sn2+,H+	9’	Au3+,Cu2+,Cd2+,Fe2+,H+
	Re3+,Sn4+,In3+,Fe3+,H+	10’	Mn2+,Cr3+,Pb2+,H+,Zn2+
	Zn2+,Mn2+,Cu2+,Re3+,H+	11’	Ag+,Cd2+,Pd2+,Fe3+,H+
	Cr2+,Fe3+,H+,Zn2+,Ag+	12’	Zn2+,Co2+,Au3+,Sn4+,H+
	Pb2+,Cr3+,Mn2+,Co2+,H+	13’	Ag+,Co2+,Sn2+,Pd2+,H+
	Fe2+,Cd2+,Cu2+,Sn2+,H+	14’	Pb2+,Fe2+,Au3+,Nd3+,H+
	Au3+,Sb3+,Re3+,Pd2+,H+	15’	H+,Zn2+,Mn2+,Cu2+,Re3+

6.6. Проведите классификацию данных окислительно-вос-становительных реакций, составьте уравнения, рассчитайте и укажите вероятные направления их протекания.

1) Au + H₂SO₄ + HCl Au₂Cl₆ + H₂SO₃ + H₂O;

2) KСlO₃ (к) KCl (к) + O₂ (г);

3) Сl₂ + KOH KCl + KClO₃ + H₂O.

6.7. Для электродов, представленных в таблице, укажите типы – первого, второго рода или окислительно-восстановительные, рассчитайте электродные потенциалы при заданных условиях.

Cхема электрода	Сu+ | Cu0	AgCl | Ag,Cl-	Pt | CuCl2, CuCl
Условия
	Hg2Cl2 | Hg, Cl-	Hg2O | Hg, OH-

6.8. Рассчитайте активность ионов Ni²⁺ в электролите гальванического элемента

Ni | NiSO₄, H₂O || ZnSO₄ | Zn,

если моль/л; Е = 0,5425 В. Составьте уравнение протекающей окислительно-восстановительной реакции в сокращен-ном ионном виде.

6.9. Рассчитайте ЭДС гальванического элемента, образованного оловом и свинцом в растворах перхлоратов

Sn | Sn(ClO₄)₂, H₂O || Pb(ClO₄)₂, H₂O | Pb,

если известно отношение активностей: . Составьте уравнение протекающей окислительно-восстановительной реакции в сокращенном ионном виде.

6.10. Исходя из схемы свинцового (кислотного) аккумулятора Pb | H₂SO₄ | PbO₂, составьте уравнения реакций на электродах и уравнение окислительно-восстановительной реакции при разряде аккумулятора, выведите уравнение для расчета ЭДС. Рассчитайте ЭДС при моль/л, 1 моль/л.

6.11. В цинк-медноокисном элементе Zn | NaOH | CuO протекают различные реакции:

1) Zn + 2Cu(OH)₂ = ZnO + Cu₂O + 2H₂O;

2) Zn + Cu₂O = ZnO + 2Cu;

3) Zn + CuO = ZnO + Cu;

4) Zn + Cu(OH)₂ = ZnO + Cu + H₂O;

5) Zn + 2CuO = ZnO + Cu₂O.

Рассчитайте для каждой из них и, сравнив с экспериментальным значением ЭДС элемента 0,89 В, сделайте вывод, какая из реакций является основной.

6.12. В цинк-йодатном элементе положительная активная масса содержит 57,1 % KIO₃ и протекает реакция:

5Zn + 2KIO₃ + 6H₂SO₄ = 5ZnSO₄ + I₂ + K₂SO₄ + 6H₂O.

Cоставьте схему элемента. Рассчитайте величину положительной активной массы, необходимой для работы элемента в течение 4 ча-сов при силе тока 2 А, выходе по току 100 %.

6.13. В герметичном колодце установлен цинк-воздушный элемент Zn | KOH | O₂ (С). Ток разряда 1 А, выход по току 1, содержание кислорода 21 %, объем колодца 0,21 м³. Рассчитайте, через какое время будет израсходовано 15 % кислорода в атмосфере колодца (условия нормальные).

6.14. По уравнениям реакций при разряде аккумуляторов составьте схемы электрохимических систем, рассчитайте

1) 2NiOOH + 2H₂O + Cd = 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂;

2) 2NiOOH + 2H₂O + Fe = 2Ni(OH)₂ + Fe(OH)₂;

3) 2NiOOH + Zn + H₂O = 2Ni(OH)₂ + ZnO.

6.15. По схемам реакций при разряде гальванических элементов составьте полные молекулярные уравнения, рассчитайте

1) SO₂Cl₂ + Li LiCl + SO₂ + S;

2) MnO₂ + Mg + H₂O MnOOH + Mg(OH)₂;

3) Mg + C₆H₄(NO₂)₂ + H₂O Mg(OH)₂ + C₆H₄(NHOH)₂.

6.16. Исходя из схем первых вариантов химических источников тока, составьте уравнения токообразующих реакций, рассчитайте :

1) элемент Даниэля-Якоби Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu;

2) элемент Даниэля-Якоби (вариант Якоби) Zn | NH₄Cl || CuSO₄ | Cu;

3) элемент Вольта Zn | H₂O | (Ag, Cu);

4) элемент Грене Zn | K₂Cr₂O₇, H₂SO₄ | (С);

5) элемент Бунзена Zn | H₂SO₄ | HNO₃ | (С).

6.17. Исходя из схем топливных элементов, составьте уравнения токообразующих реакций и рассчитайте

1) CH₃OH (Pt) | H₂SO₄ | O₂ (Pt);

2) N₂H₄ (Ni) | KOH | O₂ (C, Ag);

3) H₂ (Pt) | H₂SO₄ | O₂ (Pt);

4) CH₃OH (Pt) | KOH | O₂ (C, Ag);

5) H₂ (Ni) | KOH | O₂ (C, Ag).

6.18. Термоэлектрохимические циклы позволяют преобразовать тепловую энергию в электрическую без помощи тепловых машин, например, по реакции

CuCl₂ CuCl + ½ Cl₂.

Процесс (1) реализуется при Т > 500 ^оС, процесс (2) – в гальва-ническом (топливном) элементе при стандартных условиях. Для процесса (2) рассчитайте . Объясните, почему с повы-шением температуры начинается реакция (1)?

6.19. При работе гальванического элемента протекает реакция

Zn + Cu₂O = ZnO + 2Cu.

За 1 час работы элемента выделилось 0,45 г меди. Рассчитайте ток в цепи и массу растворившегося цинка. Выходы по току данных метал-лов равны 65 %.

6.20. Если соединить оксиды Ag₂O (т) и ZnO (т) внешней цепью и погрузить в водный раствор КОН, то в системе начинает протекать электрический ток. Составьте схему гальванического элемента, уравнение протекающей окислительно-восстановительной реакции, рассчитайте , укажите направление ее протекания.

6.21. При получении алюминия электролизом расплавов происходит электрохимическое сгорание углеродистых анодов

3С + 2Al₂O₃ = 3CO₂ + 4Al.

Выход по току СО₂ равен 60 %. Объем выделившегося оксида углерода (IV) 70 л (после пересчета к нормальным условиям). Рассчитайте количество пропущенного электричества и массу сгоревших анодов.

6.22. При электролитическом получении железного порошка ток был пропущен как через ванну с раствором FeSO₄, так и через последовательно соединенную с ней ванну с раствором CuSO₄. Количество осажденной меди составило 10,5 г. Рассчитайте количество пропущенного электричества и массу полученного железного порошка, если выхода по току: железа 70 %, меди – 95 %.

6.23. При электролитическом рафинировании меди регенерацию раствора CuSO₄ проводят электролизом с нерастворимыми анодами. Рассчитайте продолжительность процесса и массу осажденного металла, если при электролизе выделилось 500 мл О₂ (объем пере-считан к нормальным условиям), ток 2 А, выхода по току: кислорода 100 %, меди – 90 %.

6.24. При электролитическом хромировании протекают реакции

а) CrO₃ Cr + 1,5 O₂;

б) Cr⁶⁺ + 3 Cr³⁺;

в) Cr³⁺ Cr⁶⁺ + 3 ;

г) Н₂О Н₂ + ½ O₂.

Укажите анодные и катодные продукты этих реакций, рассчитайте массу хромового покрытия, полученного при токе 5 А, продол-жительности процесса 2 часа, выходе хрома по току 13 %.

6.25. За 40 минут цинкования при токе 34 А из раствора ZnSO₄ с растворимыми цинковыми анодами выделилось 1,2 л водорода (объем пересчитан к нормальным условиям). Рассчитайте выход цинка по току.

6.26. При вытравливании рисунка печатных плат протекают реакции

а) анодного травления: Cu + 3Cl^– CuCl + ;

б) химического травления: Cu + CuCl₂ + 4KCl 2K₂CuCl₃.

При токе 5 А, продолжительности процесса 2 часа, анодном выходе меди по току 90 % удалено 27,24 г металла. Рассчитайте долю анод-ной составляющей в травлении.

6.27. При оксидировании меди протекают следующие анодные реакции

Cu + 2OH^–= CuO + H₂O + 2 ;

4OH^–= O₂ + 2H₂O + 4 .

Объем выделившегося кислорода составил 0,9 л (после пересчета к нормальным условиям), выход кислорода по току 6 %. Рассчитайте количество пропущенного электричества и массу меди, израсходованной на образование оксидной пленки.

6.28. Для получения медных покрытий ток при электролизе водного раствора CuSO₄ меняют по закону

где Q = 1 A·ч – количество электричества, A·ч ; (t+3) – время в часах, (t, ч).

Рассчитайте массу покрытия, полученного при продолжительности электролиза 2 часа, выходе меди по току 90 %.

6.29. При электролизе раствора NaCl с графитовыми электродами протекает реакция окисления графита на аноде

С + 4ОН^– СО₂ + 2Н₂О + 4 .

Рассчитайте расход анодно окислившегося графита, если при электролизе выделилось 36 л СО₂ (объем пересчитан к нормальным условиям), выход по току СО₂ 1,5 %. Какое количество электри-чества было пропущено?

6.30. При электролизе водного раствора MgCl₂ с графитовыми электродами на получение 120 л хлора (объем пересчитан к нор-мальным условиям) затрачено 12,5·10⁵ Кл. Рассчитайте выход хлора по току.

6.31. Для получения хлората натрия проводят электролиз, при котором протекает реакция

NaCl + 3H₂O = NaClO₃ + 3H₂.

Рассчитайте, какое количество NaClO3 можно получить при токе 15 А, если при электролизе выделяется 10 л водорода (объем пересчитан к нормальным условиям). Какова будет продолжи-тельность электролиза? Выход по току NaClO3 равен 70 %.

6.32. При электрохимическом получении перманганата калия протекает следующая реакция

K₂MnO₄ + H₂O KMnO₄ + KOH + ½ H₂.

При электролизе продолжительностью 3 часа выделилось 5 л водо-рода (объем пересчитан к нормальным условиям). Рассчитайте массу полученного KMnO4 и ток. Выход по току KMnO4 равен 70 %.

6.33. При электролизе раствора кислоты выделилось 15 л водо-рода. Рассчитайте ток, если продолжительность процесса составила 2 часа, температура 18 ^оС, давление 0,9891·10⁵ Па, выход по току 100 %.

6.34. При электрохимическом получении пербората натрия протекает реакция

Na₂B₄O₇ + 2NaOH + 19H₂O = 4(NaBO₃·4H₂O) + 4H₂.

Рассчитайте массу полученного пербората натрия и продолжительность электролиза, если ток равен 20 А, объем выде-лившегося водорода составил 8,1 л, выход по току водорода 15 %.

6.35. Составьте уравнение химической реакции при электролизе раствора NaCl и рассчитайте, какое количество щелочи можно получить при токе 17,5 А, продолжительности процесса 1,5 часа, выходе по току 100 %.

6.36. На положительном электроде свинцового аккумулятора при разряде протекает реакция

PbO₂ + SO + 4H⁺ + 2 = PbSO₄ + 2H₂O.

На сколько изменилась масса положительного электрода, если аккумулятор разряжали током 50 А в течение 20 c?

6.37. При анодном растворении 50 г цинковой руды металл был полностью переведен в раствор за 1 ч при силе тока 10 А, выходе по току 60 %. Рассчитайте массу выделившегося металла и его содержание в руде.

6.38. Из раствора AgNO₃ полностью выделяется серебро при электролизе за 1 ч, при I = 1,5 A, B_i (Ag) = 0,8.

При каком токе надо вести электролиз, чтобы исходная концентрация раствора по ионам Ag⁺ уменьшилась вдвое в течение 15 мин? Выход по току принять тот же.

6.39. Определить степень окисления золота в растворе его хлорида, если известно, что при электролизе раствора током в 1 А за 4 мин выделилось 0,42 г золота при выходе металла по току 85 %.

6.40. При электролизе раствора NaOH графитовые аноды постепенно разрушаются по реакции

С + 2ОН → СО₂ + 2Н₂О + 4 .

Рассчитайте массу окислившегося графита и объем выделившегося СО₂ (условия нормальные) при I = 10 А, t = 2 ч, выходе по току графита 1,5 %.

ХИМИЯ МЕТАЛЛОВ

Решение типовых задач

Пример 7.1.Для тантала (Та) выпишите валентные электроны в нормальном и возбужденном состояниях, перечислите все теоретически возможные степени окисления, приведите формулы оксидов и гидроксидов для наиболее устойчивых степеней окисления, указав их окислительно-восстановительный и кислотно-основной характер.

Р е ш е н и е

Тантал № 73 (Та).

Валентные электроны тантала:

нормальное состояние

6s

5d ; степени окисления: 0, 1+, 2+, 3+;

Возбужденное состояние

6р

6s

5d ; степени окисления: 0, 1+, 2+, 3+, 4+, 5+.

Оксиды: ТаО; Та₂О₃; Та₂О₅

основной амфотерный кислотный.

Гидроксиды: Та(ОН)₂; Та(ОН)₃.

Окислительно-восстановительные свойства:

Та⁺ может отдать 4 электрона и присоединить 1 электрон;

Та²⁺ может отдать 3 электрона и присоединить 2 электрона;

Та³⁺ может отдать 2 электрона и присоединить 3 электрона;

Та⁴⁺ может отдать 1 электрон и присоединить 4 электрона;

следовательно, все они могут быть восстановителями и окислителями;

Та⁵⁺ – безусловный окислитель, так как может только принимать электроны.

Пример 7.2.Запишите предполагаемое уравнение химической реакции взаимодействия меди с азотной кислотой (концентри-рованной). Уравняйте стехиометрические коэффициенты ионно-электронным методом. Рассчитайте ΔG⁰ химической реакции и сделайте вывод о ее термодинамической вероятности без учета перенапряжения.

Р е ш е н и е

n

Cu + HNO₃ (конц) = Cu(NO₃)₂ + H₂O + NO₂↑

восст. окисл.

Cu0 – 2 Cu2+   (NO3) – + 2H+ + 1 NO2 + H2O
Cu + 2(NO3) – + 4H+ = Cu2+ + 2NO2 + 2H2O

2NO 2NO

Cu + 4HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O.

φ = + 0,34 В; φ = +0,77 В; Е⁰ = φ – φ ;