Составьте схему электролиза раствора (табл. 12). Напишите уравнения процессов, протекающих на электродах. Катодный процесс подтвердите расчетом. Рассчитайте массы веществ, выделившихся на электродах, при пропускании через раствор тока силой 1 А в течение 1 ч. Парциальное давление водорода в воздухе равно 5·10–7 атм. Значения стандартных электродных потенциалов металлов приведены в прил., табл. П.4.
Дано: Найти массы веществ, выделившихся на электродах
Раствор NaNO3
pH = 7
[Na+] = 1 моль/дм3
Анод – графит
Катод- железо
ŋ = 0,49 В
I = 1А
t = 1час
Ответ
Масса водорода, выделившаяся на катоде 0,037г; масса кислорода, выделившегося на аноде 0,298г.
Решение
1. Электролизом называется совокупность процессов, протекающих при прохождении постоянного электрического тока через систему, состоящую из двух электродов и раствора или расплава электролита.
Запишем уравнение диссоциации NaNO3:
NaNO3 → Na+ + NO3-
Катодный процесс. При пропускании тока к катоду притягиваются ионы Na+ и диполи H2O. Рассчитаем значения потенциалов возможных процессов.
Величину потенциала металла рассчитаем по уравнению Нернста:
φ = φ° + 0,059n lg [Men+]
Величину потенциала металла при прохождении тока φi вычисляем по уравнению Нернста (60) без учета поляризации:
φi(Na +/ Na) = φ(Na +/ Na)
φ(Na +/ Na) = φ°( Na +/ Na) + 0,059n lg [Na+]
φ°( Na +/ Na) = - 2,714 В – стандартный электродный потенциал
φ(Na +/ Na) = φ°( Na +/ Na) + 0,059n lg [Na+] = - 2,714 + 0,0591 lg 1 =
= - 2,714 + 0 = - 2,714 В
Величину равновесного потенциала водорода рассчитаем по уравнению:
φ( 2Н+/Н2) = - 0,059 рН – 0,0295 lg P(Н2) = - 0,059 ∙ 7 – 0,0295 lg 5·10–7 =
= - 0,413 – 0,0295 ( - 6,3) = - 0,413 + 0,186 = - 0,227 В
При протекании электрического тока потенциал водорода меньше равновесного на величину перенапряжения:
φi( 2Н+/Н2) = φ( 2Н+/Н2) – ŋ = - 0,227 – 0,49 = - 0,717 В
Сравним значения потенциалов: φi( 2Н+/Н2) > φi(Na +/ Na)
-0,717 > - 2,714
Значит, на катоде идет процесс восстановления водорода:
2H2O + 2ē = H2 + 2OH– .
В результате образования OH– -групп возможен процесс образования в катодном пространстве NaOH.
Анодный процесс
.
Графитовый анод является инертным. При прохождении тока к поверхности анода притягиваются ионы NO3 − и диполи H2O. Кислородсодержащие ионы NO3 − не способны окисляться в водных растворах, происходит окисление молекул H2O:
2H2O – 4ē = O2 + 4H+