Задача № 88
Составьте схему гальванического элемента, в котором самопроизвольно протекает реакция
Cd + FeSO4 = CdSO4 + Fe
Определите концентрацию раствора CdSO4, если железный электрод – стандартный, а ЭДС элемента равна 80 мВ. Запишите и рассчитайте значение КР.
Решение.
Схема гальванического элемента:
Cd | Cd2+ || Fe2+ | Fe
Если реакция Cd + FeSO4 = CdSO4 + Fe протекает самопроизвольно в прямом направлении, то железный электрод будет катодом (Fe2+ восстанавливается), а кадмиевый – анодом (Cd окисляется).
Уравнения электродных процессов:
К: Fe2+ +2е– = Fe;
А: Cd – 2е– = Cd2+;
φ(Fe2+/Fe) = φ0(Fe2+/Fe) = – 0,440 В.
ЭДС элемента
ε = φк - φа = – 0,440 – φ(Cd2+/Cd) = 0,08 В.
φ(Cd2+/Cd) = – 0,520 В.
Зависимость электродного потенциала от концентрации потенциалопределяющих ионов в растворе выражается уравнением Нернста:
0,059
φ(Cd2+/ Cd) = φ0(Cd2+/ Cd) + ——— ∙lgC(Cd2+);
2
φ0(Cd2+/ Cd) = – 0,403 В.
lgC(Cd2+) = – 3,966;
C(Cd2+) = 1,08∙10–4 моль/л.
C(CdSO4) = C(Cd2+) = 1,08∙10–4 моль/л.
Константу равновесия Kp находим из уравнения:
ΔG = – 2,3 RTlgKp;
ΔG = – А'м = – nFε = 2∙96500∙0,08 = – 15440 Дж.
15440
lgKp = —————— = 2,71;
2,3∙ 8,314∙298
Kp = 512,86.
Ответ: C(CdSO4) = 1,08∙10–4 моль/л; Kp = 512,86.
Задача № 117
Составьте схему электролиза 1М раствора KI на графитовых электродах. Запишите уравнение анодно-катодных процессов и суммарное уравнение электролиза. Определите, какая масса вещества выделится на аноде, если на катоде выделилось 5,6 л газа (н.у.). Какое количество электричества прошло через электролит, если ВТ = 80%?
Решение
Схема электролиза раствора KI на графитовых электродах:
К(–)
|
К+, I –, H2O |
(+)А |
К+, H2O I –, H2O
K: 2H2O + 2e- = H2 + 2OH- A: 2I – – 2e- = I2
Суммарное уравнение электролиза:
I,А
2KI + 2Н2О —→ 2КОН + H2↑ + I2
1) Рассчитаем массу выделившегося на аноде йода.
Cогласно 2-му закону Фарадея, одинаковые количества электричества преобразуют эквивалентные количества веществ:
m(I2) MЭ(I2)
———— = ————
V0(Н2) V0Э(Н2)
MЭ(I2) = M(I2)/2 = 127 г/моль.
V0Э(Н2) = 22,4/2 = 11,2 л/моль.
m(I2) = 5,6∙127/11,2 = 63,5 г.
2) Рассчитаем количество электричества, прошедшее через электролит при ВТ = 80%.
Уравнение, объединяющее 1-й и 2-й законы Фарадея:
V0Э
V0 = —— QВТ;
F
V0(Н2)F 5,6·26,8
Q = ————— = ———— = 16,75 A·ч.
V0Э(Н2) ·ВТ 11,2·0,8
Ответ: m(I2) = 63,5 г; Q = 16,75 A·ч.
Задача № 133
Объясните сущность катодной защиты и катодных покрытий. В каких случаях они применяются? Приведите конкретные примеры и запишите уравнения соответствующих процессов в условиях щелочной среды (рН = 10) и свободного доступа кислорода.
Решение
Катодная защита – присоединение защищаемой конструкции к отрицательному полюсу источника тока, а к положительному полюсу – вспомогательного электрода, любого по активности. При этом создается электролизная система, в которой защищаемая конструкция служит катодом, а на вспомогательном электроде (аноде) идут процессы окисления самого анода (электрод растворимый) или восстановителя окружающей среды (электрод инертный).
Схема катодной защиты железной конструкции в условиях щелочной среды (рН = 10) и свободного доступа кислорода с помощью вспомогательного электрода из железных отходов:
К(–) Fe (оборудование)
|
О2, H2O, ОН– рН = 10 |
Fe (отходы) (+)А |
К: О2 + 2Н2О + 4е- = 4ОН–; А: Fe – 2e- = Fe2+;
Суммарное уравнение электролиза:
I,А
2Fe + О2 + 2Н2О —→ 2Fe(OH)2
В условиях свободного доступа кислорода Fe(OH)2 быстро окисляется до Fe(OH)3 :
4Fe(OH)2 + О2 + 2Н2О = 4Fe(OH)3
Катодные покрытия – это металлические защитные покрытия, металл которых менее активный, чем защищаемый. Катодное покрытие менее надежно, чем анодное, т.к. в случае его повреждения металлическое изделие становится анодом в образовавшемся гальваническом элементе и активно окисляется (корродирует).
Примером катодного покрытия может служить покрытие из меди для оловянных изделий.
Электрохимическая схема процесса коррозии в условиях щелочной среды при нарушении катодного покрытия:
К(–)Cu
|
О2, H2O, ОН– рН = 10 |
Sn (+)А |
K: О2 + 2Н2О + 4е- = 4ОН–; A: Sn – 2e- = Sn 2+;
Суммарное уравнение токообразующей реакции:
2Sn + О2 + 2Н2О = 2Sn(ОН)2
Задача № 157
Составьте схему процесса электрорафинирования (очистки) никеля, содержащего примеси цинка, железа, свинца, меди. Запишите схему электролиза и уравнения процессов, протекающих на аноде и катоде.
Решение
Электрорафинирование – способ очистки металлов от примесей методом электролиза.
Электрорафинирование никеля, содержащего примеси цинка, железа, свинца, меди, происходит следующим образом:
Черновой никель служит анодом в электролизере. При пропускании тока металлы будут растворяться в соответствии с их электродными потенциалами в следующей последовательности: цинк, затем железо, затем никель (φ(Zn2+/Zn) < φ(Fe2+/Fe) < φ(Ni2+/Ni). Свинец и медь не будут растворяться, а выпадут в виде шлама, т.к. электродный потенциал этих металлов выше потенциала никеля.
На катоде в первую очередь будет восстанавливаться никель, имеющий наибольший электродный потенциал из растворенных металлов.
Таким образом, в процессе электрорафинирования на катоде выделится чистый никель, медь и свинец осядут в шлам, а цинк и железо останутся в растворе.
Схема процесса электрорафинирования:
К(–) Ni |
Ni2+, SO4 2–, H2O |
(+)А Ni, Zn, Fe, Pb, Cu |
K: Ni2+ + 2e- = Ni A: Zn – 2e- = Zn2+
Fe – 2e- = Fe2+
Ni – 2e- = Ni2+