Условие задачи
Электролиз раствора Na2SO4 проводили в течение 5 ч при силе тока 7 A. 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 дана задача по электрохимии, связанная с электролизом водного раствора сульфата натрия (Na₂SO₄). При электролизе такого раствора основными реагентами являются ионы Na⁺ и SO₄²⁻, а также сама вода, которая в силу большей активности легко претерпевает окислительно-восстановительные процессы на электродах. Так как сульфат и натрий не окисляются и не восстанавливаются при данных условиях, на электродах происходят реакции, связанные именно с диссоциацией воды.
─────────────────────────────
1. Определим полуравнения процессов:
• На катоде происходит восстановление воды с образование водорода. Стандартное полуравнение выглядит так:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
Это уравнение означает, что на катоде каждые 2 электрона, принятые водой, дают молекулу водорода и два гидроксид-ионa.
• На аноде происходит окисление воды с выделением кислорода. Полуравнение:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Здесь на аноде из 2 молекул воды образуется одна молекула кислорода, четыре протона и 4 электрона, которые отдаются внешней цепи.
─────────────────────────────
2. Определим количество электричества, прошедшего через ячейку:
Сила тока I = 7 А, время t = 5 ч. Переведём время в секунды:
t = 5 ч × 3600 с/ч = 18000 с
Заряд Q = I · t = 7 А × 18000 с = 126000 Кл.
Число молей переданных электронов n₍ₑ₎ = Q/F, где постоянная Фарадея F ≈ 96485 Кл/моль. Тогда:
n₍ₑ₎ = 126000 Кл ÷ 96485 Кл/моль ≈ 1,3066 моль
─────────────────────────────
3. Определим, сколько газа выделяется на каждом электроде.
На катоде полуравнение
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
указывает, что для образования 1 моля H₂ требуется 2 моля электронов. Поэтому число молей водорода:
n(H₂) = n₍ₑ₎ / 2 = 1,3066 моль ÷ 2 ≈ 0,6533 моль
На аноде полуравнение
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
указывает, что для образования 1 моля O₂ требуется 4 моля электронов (отдаётся 4e⁻). Число молей кислорода:
n(O₂) = n₍ₑ₎ / 4 = 1,3066 моль ÷ 4 ≈ 0,3267 моль
При нормальных условиях (н. у.) один моль газа занимает объём 22,4 л.
Таким образом:
Объём водорода V(H₂) = 0,6533 моль × 22,4 л/моль ≈ 14,64 л
Объём кислорода V(O₂) = 0,3267 моль × 22,4 л/моль ≈ 7,32 л
─────────────────────────────
4. Определим массу воды, которая разложилась.
Общий процесс электролиза воды (при нейтральном растворе Na₂SO₄) можно записать как:
2H₂O → 2H₂ + O₂
Из этого уравнения видно, что для выделения 2 молей водорода и 1 моля кислорода расходуется 2 моли воды. Однако при вычислениях следует понять, что в схеме полуравнений вода участвует и на катоде, и на аноде, но при суммировании реакций, ионы H⁺ и OH⁻ соединяются с образованием дополнительной молекулы воды; в итоге общий процесс выглядит именно как разложение 2H₂O в продукты.
Чтобы найти, сколько воды разложилось, можно воспользоваться соотношением между количеством электронов и количеством воды в общем уравнении. В общем уравнении на разложение 2 молей воды приходится 4 моля электронов. Тогда:
Моли воды, разложившиеся = n₍ₑ₎ / 4 × 2 = n₍ₑ₎ / 2
Подставляем:
n(H₂O) = 1,3066 моль ÷ 2 ≈ 0,6533 моль
Масса воды m = n · M, где M = 18 г/моль, откуда:
m(H₂O) ≈ 0,6533 моль × 18 г/моль ≈ 11,76 г
─────────────────────────────
Вывод:
1. Полуравнения процессов на электродах:
Катод: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
Анод: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
2. При пропускании тока 7 А в течение 5 ч (126000 Кл) выделяется:
– Водород: ≈ 0,6533 моль, что соответствует объёму ≈ 14,64 л (при н. у.)
– Кислород: ≈ 0,3267 моль, что соответствует объёму ≈ 7,32 л (при н. у.)
3. Масса разложившейся воды составляет ≈ 11,76 г.
Таким образом, используя правила электрохимии, мы записали полуравнения реакций, провели расчёт количества переданных электронов и на основе стехиометрии вывели как массы разложившейся воды, так и объемы газов, выделившихся на катоде и аноде.