Практичне заняття
Тема:
ЕЛЕКТРОЛІЗ. АКУМУЛЯТОРИ
Мета
заняття: навчитися записувати рівняння
процесів, що відбуваються на електродах при електролізі водних розчинів та
розплавів. Навчитися проводити обчислення з використанням законів Фарадея. Ознайомитися
з будовою і роботою кислотних і лужних акумуляторів.
ПИТАННЯ ДЛЯ ПІДГОТОВКИ
1. Електроліз розплавів і водних розчинів електролітів.
2. Електроліз з активним та з інертним анодом.
3. Закони Фарадея.
4. Використання процесів електролізу в промисловості і техніці.
5. Який пристрій називається акумулятором? Основні типи
акумуляторів та принципи їх роботи.
ТЕОРЕТИЧНІ
ВІДОМОСТІ
Електроліз – це окисно-відновний процес, який відбувається за
рахунок перетворення електричної енергії в хімічну під час проходження крізь
розчин або розплав електроліту постійного електричного струму.
Якщо
через розчин або розплав електроліту пропустити електричний струм, то рух іонів
стає спрямованим: катіони рухаються до катода, а аніони – до анода. Електрод,
на якому відбувається відновлення – катод, під час електролізу заряджений
негативно; електрод, на якому відбувається окиснення – анод, заряджений при
електролізі позитивно.
Закони електролізу (закони Фрадея)
І закон Фарадея:
маси речовин, що перетворюються на електродах під час електролізу, пропорційні кількості електрики, яка
пройшла через електроліт.
ІІ закон Фарадея:
однакові кількості електрики виділяють при електролізі еквівалентні кількості
будь-яких речовин, тому маси речовин, що перетворюються на електродах при
проходженні однакової кількості електрики, пропорційні їх еквівалентним масам,
а об’єми (за н.у.) – еквівалентним об’ємам.
Математичний вираз закону Фарадея:
,
а
для визначення об’єма:
,
де 
і 
- відповідно еквівалентна
маса чи еквівалентний об’єм визначеної речовини.
, 
.
- сила струму, А;
- час електролізу, с;
- стала Фарадея. 
.
Вихід за струмом
(
) – це відношення фактично одержаної при електролізі маси
речовини (
) до теоретично обчисленої (
):
.
ПРИКЛАДИ
РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ
Задача
1. Які процеси будуть
відбуватися при проходженні постійного електричного струму через розчин
купрум (ІІ) хлориду?
Розв’язок:
При проходженні постійного електричного струму через
розчин буде відбуватися електроліз. При цьому іде два процеси: окиснення на
аноді і відновлення на катоді.
Розглядаючи катодні процеси, які відбуваються при
електролізі розчинів, потрібно врахувати величину потенціалу процесу
відновлення іонів гідрогену. Для нейтрального середовища (pH = 7) вона становить –0,41 В.
Купрум має потенціал більш позитивний
(+ 0,34 В). Тому на катоді
відновлюється металічна мідь.
Розглядаючи анодні процеси, потрібно врахувати, що анод
може бути інертним і активним. Графіт – це інертний анод. При електролізі
водних розчинів лугів, оксигеновмісних кислот і їх солей, а також
фтористоводневої кислоти і фторидів відбувається електрохімічне окиснення води
з виділенням кисню. При електролізі водних розчинів безоксигеновмісних кислот і
їх солей біля анода окиснюється аніон.
Купрум (ІІ) хлорид – сіль безоксигенової кислоти.
Запишемо
процес при електролізі:
Дисоціація солі 
; 
.
Процеси на електродах K:
(відновлення);
A: 
(окиснення).
Задача 2.
Як відбувається електроліз водного
розчину калій сульфату? Електроди
виготовлені з графіту.
Розв’язок:
Калій в електрохімічному ряді напруги розташований значно
лівіше від водню. Тому на катоді буде відновлюватись вода і виділятись водень.
Сульфат – це аніон оксигенвмісної кислоти. Тому на аноді буде окиснюватись вода
і відбуватися виділення кисень.
Запишемо процеси
при електролізі:
Дисоціація солі: 
; .
Процеси на електродах:
K: 
(відновлення);
A: 
(окиснення).
Задача
3. Як відбувається електроліз розчину купрум (ІІ) сульфату
з мідними електродами?
Розв’язок:
мідний анод – це активний розчинний анод. Потенціал
окиснення міді значно менший потенціалу окиснення води і сульфат – аніону.
Запишемо процес при електролізі:
Дисоціація: 
; ; Анод - 
.
Процеси на електродах K:
;
A: 
.
В результаті процесу електролізу мідний анод
розчиняється, а на катоді осаджується металічна мідь. Цей процес широко
використовується в промисловості для очистки міді (електролітичне рафінування).
Задача
4. Яка кількість міді відновиться на катоді в результаті
електрохімічного рафінування (див. задача 3), якщо процес триває три години при
силі струму 150 А?
Розв’язок: кількість міді підраховуємо за законом Фарадея:
,
де 
– сила струму, А;
– час електролізу, секунд;
– еквівалентна маса
міді, грам /моль-екв;
– стала Фарадея, 96500 Кл/моль-
екв.(A×c/моль-екв)
.
ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ
1. Записати
процеси, що відбуваються на графітових електродах при електролізі водних
розчинів:
а) калій хлориду;
б) купрум (ІІ) сульфату;
в) натрій нітрату.
2. Записати процеси, що відбуваються на електродах при
електролізі водного розчину нікель сульфату з активним (
) анодом.
3. Які речовини і в яких кількостях виділяються при
електролізі водного розчину натрій хлориду, якщо процес проводити 4 години при силі струму 
(аноди графітові)?
4. При електролізі водного розчину хлориду тривалентного
металу протягом 1,5 год при силі
струму 
на катоді виділилось 
цього металу. Який це
метал? Скласти рівняння процесів, що відбуваються біля інертних електродів .
5. Скільки грамів срібла виділиться на катоді, якщо
пропускати через розчин 
струм силою 
протягом 10 хв.? Які речовини і в яких кількостях
виділяються при цьому на аноді? Скласти рівняння відповідних процесів.
6. Визначити еквівалентну масу двохвалентного металу,
знаючи, що при електролізі водного розчину хлориду цього металу затрачено 38600
кулонів електрики і на катоді виділилось 11,74 металу. Який це метал? Скласти
процеси, що відбуваються:
а) біля графітових
електродів;
б) біля мідних
електродів.
7.
При електролізі розчинів 
і 
з’єднаних послідовно з джерелом струму, на одному з
катодів виділилось 
. Які
речовини і в яких кількостях виділяються на іншому катоді та на аноді?
8.
Електроліз розчину цинк сульфату проводили
протягом 5 год, в результаті чого виділилось
