Конкурсні завдання з хімії на закон електролізу фарадея, публікація в журналі «молодий вчений»
Бібліографічний опис:
Особливістю середньої освіти вУкаіни полягає в тому, що учні, і їхні вчителі, зацікавлені брати участь в олімпіадах. При підготовці до олімпіад з хімії слід враховувати, що школярам необхідно вміти ефективно вирішувати розрахункові завдання. Серед безлічі різноманітних хімічних задач найбільші труднощі викликають завдання, для вирішення яких крім міцних хімічних знань потрібно непогано володіти матеріалом курсу фізики. І хоча далеко не завжди приділяється увага вирішенню хоча б найпростіших завдань з використанням знань двох курсів - хімії і фізики, завдання такого типу іноді зустрічаються на олімпіадах з хімії. А тому, що не розібравши завдання такого типу на уроках, учитель може ненавмисно позбавити свого учня шансу на перемогу в олімпіаді. Необхідно враховувати, що такого типу завдання будуть цікаві і доступні для сприйняття не всім учням. Завдання на закон Фарадея ускладнені і не є типовими для шкільного курсу хімії.
Всі завдання розбиті на 3 рівні-дуже простий, середній і складний. Тому цей матеріал призначений для широкого кола учнів-від трієчників до медалістів. Оскільки розробка орієнтована, в основному, на практичну підготовку, теоретичний матеріал викладено досить стисло. Всі запропоновані завдання мають докладні рішення, що дозволить істотно заощадити безцінне вчительське час.
Теоретичні основи закону Фарадея
Електроліз - окислювально-відновний процес, що відбувається при проходженні електричного струму через розчин або розплав електроліту.
Електроліз водних розчинів:
При визначенні продуктів слід пам'ятати, що
1. На катоді відновлюється продукт залежить від положення металу в ряду стандартних електродних потенціалів:
Li Rb K Ba Ca Na Mg Al | Mn Zn Cr Fe Co Pb H | Cu Hg Ag Pt Au
У розчинах солей металів першої групи відновлюється тільки водень.
У розчинах солей металів другої групи паралельно протікає два процеси - відновлення водню і металу. (В задачах часто мається на увазі, що відновлюється тільки катіони металу, а відновлення водню в даному випадку не розглядають) При електролізі розчинів солей металів третьої групи на катоді відновлюється тільки метал.
2. На аноді виходить продукт залежить як від матеріалу анода, так і від природи аніону. На інертному електроді окислюються Cl¯, Br¯, I¯, S 2 ¯ (аніони безкисневих кислот), OH¯ і RCOO¯ (аніони карбонових кислот до R2 + 2CO2). F¯ і аніони кисневмісних кислот (сульфат, нітрат, фосфат-аніони) не схильні до електролізу у водних розчинах.
Взаємозв'язок між кількістю речовини, що утворився при електролізі на електроді (катоді або аноді), і кількістю електрики, що пройшов через електричну клітинку, визначається законом Фарадея:
m - маса виділився речовини (г);
Е - еквівалентна маса речовини (г / моль), що дорівнює відношенню молярної маси на кількість віддаються або прийнятих електронів;
M - молярна маса виділився речовини (г / моль);
n - число електронів, що беруть участь в даній реакції;
I - сила струму (А); t - час (c); F - постійна Фарадея = 96500 Кл / моль.
Умови, відповіді і рішення задач
1. Електроліз 100 г водного розчину сірчаної кислоти з мольной часткою останньої 2.5% проводили протягом 15 хвилин. Сила струму була постійною і дорівнювала 10 А. Розрахуйте кількість електрики, що пройшов через розчин (в Кл).
2. Електроліз 100 г водного розчину сірчаної кислоти з мольной часткою останньої 2.5% проводили протягом 15 хвилин. Сила струму була постійною і дорівнювала 10 А. Розрахуйте кількість електронів, що пройшли через розчин.
3.Вичісліте масу ртуті, що виділилася на катоді при пропущенні струму силою 6 А через розчин хлориду ртуті протягом 35 хвилин.
4. При пропущенні постійного струму силою в 6,4 А протягом 30 хвилин через розплав хлориду невідомого металу на катоді виділилося 1.07 г металу (С.О. = + 3). Визначте склад солі, який піддали електролізу.
За рівняння реакції, кількість виділився металу в 3 рази менше кількості електронів: моль.
Шуканий метал - алюміній.
5.Електроліз 100 г водного розчину сірчаної кислоти з мольной часткою останньої 2.5% проводили протягом 15 хвилин. Сила струму була постійною і дорівнювала 10 А. Розрахуйте масову частку (у відсотках) розчиненої речовини в кінцевому розчині.
За рівняння реакції кількість моль розклалася води в два рази менше кількості моль електронів, що пройшли через електролізер в ході розкладання води:
6.Прі пропущенні через 120 мл розчину, що містить смесьAu (NO3) 3 іHg (NO3) 2. сила струму 0,9 А протягом 120 хвилин на катоді виділилася суміш металів загальною масою 5,99 м Напишіть рівняння електролізу кожної солі і визначте молярні концентрації солей у вихідному розчині, якщо відомо, що на катоді не виділялися гази, а після закінчення електролізу розчин не містить іонів металів [1, с 21].
Позначимо кількості солей в розчині моль, а
моль. Тоді кількості утворилися металів є рівними моль, моль.
За умовою маса суміші металів, що виділилися на катоді,
дорівнює 5,99 г, звідси: м
Кількість електронів, що пройшли через розчин:
З рівнянь відновлення іонів металу слід: моль.
Складемо систему з двох рівнянь:
вирішуючи яку, знаходимо: моль, моль.
Молярні концентрації солей у вихідному розчині:
7.Електрохіміческое фрезерування сплаву (анодний обробку) проводять методом електролізу в водному розчині електроліту. Розрахуйте час, необхідний для утворення борозенки довжиною 10 см, шириною 2 см і глибиною 0,2 см в латуні при струмі 100 А і виході реакції 50%. Склад латуні: 57% міді і 43% цинку (по молям); щільність латуні 8,16 г / см 3 [2, с 243].
Кількість електронів, який пішов на окислення латуні:
Загальна кількість електронів, що пройшло через електролізер:
Згідно із законом Фарадея
звідси час, необхідний для утворення борозенки:
Відповідь: 0,54 ч [2, с 418].
Звідси кількість моль електронів, що пройшли через електролізер в ході розкладання води (друга реакція):
Тогдамоль, і маса розчину зменшилася на
Загальне зменшення маси розчину:
откудаx = 1804 р
9.К 200 г 16% -ного розчину сульфату міді прилив 200 г 29,8% -ного розчину хлориду калію і отриманий розчин піддали електролізу з інертними електродами. Електроліз закінчили, коли масова частка сульфат-іонів в розчині стала дорівнює 5,61%. Розрахуйте маси продуктів, що виділилися на електродах, і кількість електрики, що пройшов через розчин.
Сумарна маса розчину 400 г; електроліз закінчили, коли маса кінцевого розчину, виходячи з масової частки сульфат-іонів, стала рівною:
Для повного виділення міді (0,2 моль) з розчину необхідно 0,4 моль електронів, а хлору (0,4 моль) - 0,8 моль електронів.
Розрахуємо масу розчину при проходженні через електролізер 0,8 моль електронів (так як число молей електронів, що пройшли через електроди однаково, то на катоді, крім міді, виділилося 0,2 моль водню):
що не відповідає умові завдання (342,3 г). Отже, електроліз триває з розкладанням води на обох електродах.
Висловимо масу кінцевого розчину:
моль, що відповідає 1,8 моль електронів.
За рівняння електролізу води
розрахуємо маси водню і кисню, що утворюються при розкладанні 0,9 моль води:
Отже, в цілому виділилося 12,8 г міді і 0,4 + 1,8 = 2,2 г водню, на аноді - 28,4 г хлору і 14,4 г кисню, а через електролізер пройшло 0,8 + 1, 8 = 2,6 моль електронів.
Згідно із законом Фарадея кількість електрики, що пройшов через розчин:
Відповідь: на катоді 12,8 г Cu і 2,2 г H2; на аноді 28,4 г Cl2 і 14,4 г О2;
Основні терміни (генеруються автоматично). розчину сірчаної кислоти, моль електронів, г водного розчину сірчаної, сірчаної кислоти з мольной, кислоти з мольной часткою, з мольной часткою останньої, часткою останньої 2.5%, розчинах солей металів, кількість моль електронів, електролізу маса розчину, електролізу водного розчину, розчину хлориду калію, сила струму, розчину сульфату міді, зменшення маси розчину, закон електролізу Фарадея, рівні моль, струму силою, закінчення електролізу розчин, масу розчину.