Условие задачи
Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах при электролизе раствора KOH. Чему равна сила тока, если в течение 1 ч 15 мин 20 с на аноде выделилось 6,4 г газа? Сколько литров газа (н.у.) выделилось при этом на катоде?
Решение
Наша задача относится к курсу общей химии (электрохимия). Здесь речь идёт о процессе электролиза раствора KOH, поэтому необходимо написать полуэлектродные (электронные) уравнения процессов, происходящих на аноде и катоде, а затем, используя закон Фарадея, найти силу тока и объём газа, выделившегося на катоде.
─────────────────────────────
1. Электродные процессы
В растворе KOH диссоциирует на K⁺ и OH⁻. При электролизе вода – основной компонент – участвует в реакциях на электродах.
На аноде (окисление) происходит окисление гидроксид-ионов:
4 OH⁻ → O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻
На катоде (восстановление) происходит восстановление воды с образованием водорода:
2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻
─────────────────────────────
2. Определение силы тока по данным на аноде
Из условия задачи известно, что на аноде за время 1 ч 15 мин 20 с выделилось 6,4 г газа. При анодной реакции образуется кислород (O₂).
а) Определим количество вещества O₂:
Молярная масса O₂ = 32 г/моль
n(O₂) = 6,4 г ÷ 32 г/моль = 0,2 моль
б) В уравнении на аноде видно, что для образования 1 моль O₂ необходимо отдать 4 моль электронов:
n(e⁻) = 0,2 моль O₂ × 4 = 0,8 моль e⁻
в) По закону Фарадея общий заряд Q:
Q = n(e⁻) × F,
где F = 96485 Кл/моль (периодическая величина Фарадея).
Таким образом, Q = 0,8 моль × 96485 Кл/моль ≈ 77188 Кл
г) Переведём время в секунды:
1 час = 3600 с, 15 мин = 900 с, 20 с = 20 с
t = 3600 + 900 + 20 = 4520 с
д) Сила тока I определяется как:
I = Q ÷ t = 77188 Кл ÷ 4520 с ≈ 17,07 А
Таким образом, сила тока приблизительно равна 17,1 А.
─────────────────────────────
3. Определение объёма газа на катоде
На катоде происходит восстановление воды с выделением водорода по уравнению:
2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻
Из этого уравнения видно, что для образования 1 моль H₂ требуется 2 моль электронов.
Из ранее полученного количества электронов (0,8 моль) получим:
n(H₂) = 0,8 моль e⁻ ÷ 2 = 0,4 моль H₂
При нормальных условиях (н.у.) объём 1 моль газа составляет 22,4 л.
Таким образом, объём H₂ равен:
V = 0,4 моль × 22,4 л/моль = 8,96 л
Округляя, получаем примерно 9 л.
─────────────────────────────
Ответ:
• Электронные уравнения:
Анод: 4 OH⁻ → O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻
Катод: 2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻
• Сила тока ≈ 17,1 А
• Объём водорода на катоде ≈ 9 л (при н.у.)