Условие задачи
Электролиз раствора K2SO4 проводили при силе тока 5 A в течение 3 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах. Какая масса воды при этом разложилась и чему равен объем газов (н. у.), выделившихся на катоде и аноде?
Решение
Нам дано, что электролиз раствора K₂SO₄ (электролит – инертный, ионы K⁺ и SO₄²⁻ лишь проводимость поддерживают) проводится в водном растворе, поэтому на электродах происходят реакции разложения воды. Это задача по элементарной электрохимии.
──────────────────────────────
1. Формулировка полуреакций
При электролизе воды в нейтральном (или слегка щелочном) растворе удобно записывать реакции на катоде и аноде в следующем виде.
На катоде происходит восстановление воды с образованием водорода и гидроксид-ионов:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
На аноде происходит процесс окисления воды с образованием кислорода и протонов. Его можно записать в двух вариантах. Прямой вариант для кислой среды выглядит так:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Либо, если учитывать, что в растворе гидроксид-ионы могут быть доступны (при нейтральном/щелочном растворе), можно записать реакцию в щелочном варианте:
4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻
Оба варианта приводят к одному и тому же общему процессу разложения воды:
2H₂O → 2H₂ + O₂
──────────────────────────────
2. Определение количества переданных электронов
Сила тока I = 5 А, время t = 3 ч. Переведём время в секунды:
t = 3 × 3600 = 10800 с
Полный заряд Q, переданный через электролизёр:
Q = I × t = 5 А × 10800 с = 54000 Кл
Постоянная Фарадея F ≈ 96485 Кл/моль электронов. Тогда число молей электронов:
n(e⁻) = Q / F = 54000 / 96485 ≈ 0,56 моль
──────────────────────────────
3. Определение количества разложившейся воды
Общий процесс разложения воды имеет вид:
2H₂O → 2H₂ + O₂
Чтобы провести этот процесс, согласно полуравнениям, требуется передать 4 моль электронов (при анодной реакции). То есть 4 электрона приводят к разложению 2 молей воды. Поэтому число молей воды, участвующих в разложении, рассчитывается так:
n(H₂O) = (2 моль H₂O / 4 моль e⁻) × n(e⁻) = (1/2) × 0,56 ≈ 0,28 моль
Масса воды m = n × M, где молярная масса воды M = 18 г/моль:
m = 0,28 моль × 18 г/моль ≈ 5,04 г
──────────────────────────────
4. Определение объёмов выделившихся газов (при нормальных условиях)
Нормальные условия (н. у.) подразумевают, что 1 моль газа занимает объём 22,4 л.
На катоде на основе реакции
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
при передаче 2 молей e⁻ образуется 1 моль H₂. Таким образом, число молей водорода, образовавшегося при 0,56 моль e⁻:
n(H₂) = (0,56 моль e⁻) / 2 = 0,28 моль
Объём водорода:
V(H₂) = 0,28 моль × 22,4 л/моль ≈ 6,27 л
На аноде, по варианту для кислой среды
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
передача 4 моль e⁻ приводит к образованию 1 моль O₂. Число молей кислорода:
n(O₂) = (0,56 моль e⁻) / 4 = 0,14 моль
Объём кислорода:
V(O₂) = 0,14 моль × 22,4 л/моль ≈ 3,14 л
──────────────────────────────
5. Итоговый ответ
Электронные уравнения процессов, происходящих на электродах:
• На катоде:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
• На аноде (вариант для кислой среды):
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
(либо для щелочной среды: 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻)
Общий процесс:
2H₂O → 2H₂ + O₂
При этом, при прохождении тока 5 А в течение 3 ч разложилось примерно 0,28 моль воды, что соответствует массе около 5,04 г.
Выделившиеся газы при нормальных условиях составляют:
водород – ≈ 6,27 л
кислород – ≈ 3,14 л
Это и есть подробное решение задачи согласно правилам электрохимии.