Elektrochemia elektroliza Przykadowe zadania z rozwizaniami Zadanie 1

Elektrochemia – elektroliza Przykładowe zadania z rozwiązaniami

Zadanie 1 z rozwiązaniem v Przeprowadzono elektrolizę wodnego roztworu Cu. SO 4 zakwaszonego kwasem siarkowym(VI) z zastosowaniem elektrod miedziowych. v Oblicz zamiany masy elektrod miedziowych po przepływie prze elektrolit ładunku q = 48 250 C. v Analiza i założenia do zadania: Ø elektroliza z zastosowaniem elektrod Cu przebiega odmiennie niż w przypadku elektrod platynowych lub grafitowych – anodowe roztworzenie metalu (w tym przypadku anody miedziowej), Ø q = n ∙ F; ü n – liczba moli elektronów wymienionych przez 1 mol jonów, ü F – stała Faradaya (F = 96 485 C ≈ 96 500 C)

Zadanie 1 z rozwiązaniem / cd Ø ü ü Ø ü procesy elektrodowe w elektrolizerze: A(+): Cu 2+ + 2 e. K(-): Cu 2+ + 2 e- Cu obliczenie przyrostu / ubytku masy elektrod: 63, 5 g Cu ---- 2 ∙ 96 500 C x ---- 48 250 C ------------------x = 15, 875 g Cu ü masa katody wzrosła o 15, 875 g, natomiast masa anody zmalała o 15, 875 g.

Zadanie 2 z rozwiązaniem v Oblicz, ile godzin będzie trwała elektroliza wodnego roztworu Cu. SO 4 zakwaszonego H 2 SO 4 na elektrodach miedziowych aby całkowicie roztworzyć anodę o masie 0, 2 kg przy natężeniu pądu stałego 2, 5 A. v Analiza i założenia do zadania – tak jak w zadaniu 1 Ø obliczenie czasu:

Zadanie 3 z rozwiązaniem v Elektrolizie poddano wodny roztwór kwasu chlorowodorowego, elektrolizę zakończono gdy objętość gazu w warunkach normalnych wydzielonego na katodzie wyniosła 60 cm 3. v Oblicz objętość drugiego gazu, jeżeli 15% tego gazu uległo rozpuszczeniu w elektrolizowanym roztworze. v Analiza i założenia do zadania: Ø procesy elektrodowe w elektrolizerze: ü K(-): 2 H+ + 2 e- H 2 ü A(+): 2 Cl- Cl 2 + 2 eü VCl 2 = VH 2 ∙ (1 – 0, 15) = VH 2 ∙ 0, 85 Ø obliczenie objętości chloru: ü VCl 2 = VH 2 ∙ 0, 85 = 60 cm 3 ∙ 0, 85 = 51 cm 3.

Zadanie 4 z rozwiązaniem v W trakcie elektrolizy stopionego wodorotlenku sodu na anodzie wydzieliło się 1, 12 dm 3 gazu w przeliczeniu na warunki normalne. v Oblicz masę otrzymanego produktu na katodzie. v Analiza i założenia do zadania: Ø 2 Na. OH Na 2 O + ↑H 2 O Ø Na 2 O 2 Na+ + O 2Ø procesy elektrodowe: ü A(+): 2 O 2 - O 2 + 4 e- 1 ü na każdy mol / 22, 4 dm 3 tlenu wydzielają się 4 mole / 92 g sodu ü K(-): Na+ + 1 e- Na 4 Ø obliczenie masy sodu: ü 22, 40 dm 3 O 2 ------ 92 g Na ü x = 4, 6 g Na 1, 12 dm 3 O 2 ------ x

Zadanie 5 z rozwiązaniem v W trakcie elektrolizy stopionego tlenku glinu na katodzie wydzieliło się 2, 7 g glinu. v Oblicz objętość otrzymanego produktu na anodzie (warunki normalne). v Analiza i założenia do zadania: Ø 2 Al 2 O 3 4 Al 3+ + 3 O 2Ø procesy elektrodowe: ü A(+): 2 O 2 - O 2 + 4 e- 3 ü na każde 4 mole / 108 g glinu 3 wydzielają się 3 mole / 67, 2 dm 3+ ü K(-): Al + 3 e Al 4 tlenu Ø obliczenie objętości tlenu: ü 67, 2 dm 3 O 2 ---- 108 g Al x ---- 2, 7 g Al ü x = 1, 68 dm 3 O 2

Zadanie 6 z rozwiązaniem v Przez 10 h prowadzono elektrolizę 250 cm 3 wodnego roztworu zasady potasowej o stężeniu 5, 2 mol/dm 3 i gęstości 1, 22 g/cm 3 przy natężeniu prądu 15 A. v Oblicz stężeniu molowe roztworu zasady potasowej jeżeli po zakończeniu elektrolizy jeżeli gęstość elektrolitu wzrosła o 0, 04 g/cm 3. v Analiza i założenia do zadania: Ø w elektrolizerze zachodzi rozkład / elektroliza wody: Ø procesy elektrodowe: ü A(+): 2 H 2 O O 2 + 4 e- + 4 H+ 1 ü K(-): 2 H 2 O + 2 e- H 2 + 2 OH- 2 ü na każdy mol wydzielonego tlenu powstają 2 mole wodoru, czyli z roztworu ubywa 2 mol / 36 g wody, stężenie roztworu zasady potasowej wzrasta,

Zadanie 6 z rozwiązaniem / cd Ø obliczenie objętości tlenu otrzymanego w elektrolizerze: Ø obliczenie masy ubytku wody z elektrolitu: ü 22, 4 dm 3 O 2 ---- 36 g H 2 O ü x = 50, 3 g H 2 O 31, 3 dm 3 O 2 ---- x Ø obliczenie masy roztworu po elektrolizie: ü mr = Vr ∙ dr – 50, 3 g = 250 cm 3 ∙ 1, 22 g/cm 3 – 50, 3 g ≈ 255 g

Zadanie 6 z rozwiązaniem / cd Ø obliczenie liczby moli KOH w roztworze wyjściowym: ü n. KOH = Vr ∙ Cm = 0, 25 dm 3 ∙ 5, 2 mol/dm 3 = 1, 3 mol Ø obliczenie objętości roztworu po elektrolizie: Ø obliczenie stężenia molowego elektrolitu po elektrolizie:

Zadanie 7 z rozwiązaniem v Przez 5 h prowadzono elektrolizę 150 cm 3 wodnego roztworu H 2 SO 4 o stężeniu 4 mol/dm 3 i gęstości 1, 24 g/cm 3 przy natężeniu prądu 10 A. v Oblicz, o ile wzrośnie stężeniu molowe roztworu kwasu siarkowego(VI), jeżeli po zakończeniu elektrolizy jeżeli gęstość elektrolitu wzrosła do 1, 25 g/cm 3. v Analiza i założenia do zadania: Ø w elektrolizerze zachodzi rozkład / elektroliza wody: Ø procesy elektrodowe: ü A(+): 2 H 2 O O 2 + 4 e- + 4 H+ 1 ü K(-): 2 H 2 O + 2 e- H 2 + 2 OH- 2 ü na każdy mol wydzielonego tlenu powstają 2 mole wodoru, czyli z roztworu ubywa 2 mol / 36 g wody, stężenie roztworu kwasu siarkowego wzrasta,

Zadanie 7 z rozwiązaniem / cd Ø obliczenie objętości tlenu otrzymanego w elektrolizerze: Ø obliczenie masy ubytku wody z elektrolitu: ü 22, 4 dm 3 O 2 ---- 36 g H 2 O ü x ≈ 12, 6 g H 2 O 15, 7 dm 3 O 2 ---- x Ø obliczenie masy roztworu po elektrolizie: ü mr = Vr ∙ dr – 50, 3 g = 150 cm 3 ∙ 1, 24 g/cm 3 – 12, 6 g ≈ 173 g

Zadanie 7 z rozwiązaniem / cd Ø obliczenie liczby moli KOH w roztworze wyjściowym: ü n. H 2 SO 4 = Vr ∙ Cm = 0, 15 dm 3 ∙ 4 mol/dm 3 = 0, 6 mol Ø obliczenie objętości roztworu po elektrolizie: Ø obliczenie stężenia molowego elektrolitu po elektrolizie: Ø obliczenie stężenia molowego elektrolitu wyjściowego: Ø obliczenie wzrostu stężenia elektrolitu po elektrolizie: ü ∆Cm = Cm 1– Cm 0 = 4, 3 mol/dm 3 - 4, 0 mol/dm 3 = 0, 3 mol/dm 3

Zadanie 8 z rozwiązaniem v W elektrolizie o elektrodach platynowych przez 1 h i przy natężeniu prądu 0, 1 A prowadzono elektrolizę wodnego roztworu siarczanu(VI) miedzi(II). v Oblicz, o ile atomów miedzi ulegnie rozładowaniu i osadzi się na elektrodzie elektrolizera. v Analiza i założenia do zadania: Ø procesy elektrodowe: ü A(+): 2 H 2 O O 2 + 4 e- + 4 H+ ü K(-): Cu 2+ + 2 e- Cu Ø obliczenie liczby atomów miedzi:

Zadanie 9 z rozwiązaniem v W elektrolizie o elektrodach platynowych przez 30 minut i przy natężeniu prądu 0, 2 A prowadzono elektrolizę wodnego roztworu azotanu(V) srebra(I). v Oblicz, o ile miligramów srebra ulegnie rozładowaniu i osadzi się na elektrodzie elektrolizera. v Analiza i założenia do zadania: Ø procesy elektrodowe: ü A(+): 2 H 2 O O 2 + 4 e- + 4 H+ ü K(-): Ag+ + e- Ag Ø obliczenie liczby gramów srebra:

Zadanie 10 z rozwiązaniem v Wodny roztwór zawiera 2 mole chlorku żelaz(II) i 3 mole chlorku żelaza(III). v Oblicz łączny ładunek jaki teoretycznie musi przepłynąć przez elektrolit aby rozładować wszystkie kationy żelaza(II) i żelaza(III). v Analiza i założenia do zadania: Ø procesy elektrodowe: ü K(-): Fe 2+ + 2 e- Fe: (n = 2) 1 mol + 2 mol 1 mol: q 1 = n ∙ 2 mol ∙ F = 4 mol ∙ F ü K(-): Fe 3+ + 3 e- Fe (n = 3) 1 mol + 3 mol 1 mol: q 2 = n ∙ 3 mol ∙ F = 9 mol ∙ F Ø obliczenie łącznego ładunku: ü q = q 1 + q 2 = (4 mol + 9 mol) ∙ 96 500 C/mol = 1 254 500 C

Zadanie 11 z rozwiązaniem v Przez elektrolit w elektrolizerze (elektrody platynowe) zawierający 1 mol Ag. NO 3 i 2 mole Cu(NO 3)2 przepuszczono prąd stały o natężeniu 5 A. v Oblicz łączny czas trwania elektrolizy niezbędny do całkowitego wydzielenia z elektrolitu kationów srebra i miedzi, jeżeli wydajność prądowa wynosi 90% v Analiza i założenia do zadania: Ø procesy elektrodowe: ü K(-): Cu 2+ + 2 e- Cu ü K(-): Ag+ + 1 e- Ag ü m. Cu = 2 mol ∙ 63, 5 g/mol = 127 g ü m. Ag = 1 mol ∙ 108 g/mol = 108 g

Zadanie 11 z rozwiązaniem / cd Ø obliczenie czasu niezbędnego do rozładowania Cu 2+: Ø obliczenie czasu niezbędnego do rozładowania Ag+: Ø obl. łącznego czasu przy wydajności prądowej 100%: ü t = t. Cu + t. Ag = 77 200 s + 19 300 s = 96 500 s ≈ 26, 8 h Ø obl. łącznego czasu przy wydajności prądowej 90%: ü 26, 8 h ---- 90% ü x ≈ 29, 8 h x ---- 100%

Zadanie 12 z rozwiązaniem v Trzy elektrolizery połączono szeregowo: I – roztwór wodny Cu. SO 4, II – roztwór wodny Ag. NO 3, III – roztwór wodny Na 2 SO 4. Na katodzie elektrolizera wydzieliło się 1, 08 g Ag. v Oblicz, ile gramów miedzi wydzieliło się w elektrolizerze I oraz objętość wodoru (warunki normalne) w elektrolizie III. v Analiza i założenia do zadania: Ø procesy elektrodowe: ü elektrolizer I ü K(-): Cu 2+ + 2 e- Cu ü A(+): 2 H 2 O O 2 + 4 H+ + 4 eü elektrolizer II ü K(-): Ag+ + 1 e- Ag ü A(+): 2 H 2 O O 2 + 4 H+ + 4 eü elektrolizer III ü K(-): 2 H 2 O + 2 e- H 2 + 2 OHü A(+): 2 H 2 O O 2 + 4 H+ + 4 e-

Zadanie 12 z rozwiązaniem / cd Ø w przypadku połączenia szeregowego elektrolizerów ten sam ładunek q przepłynie przez wszystkie elektrolizery, Ø na każdy 1 mol wydzielonego srebra przypada: ü ½ mola miedzi w elektrolizerze I ü ½ mola (11, 2 dm 3) wodoru w elektrolizerze III. Ø obliczenie masy wydzielonej miedzi : ü 108 g Ag ----- ½ ∙ 63, 5 g Cu ü x ≈ 0, 32 g Cu 1, 08 g Ag -------x Ø obliczenie objętości wydzielonego wodoru: ü 108 g Ag ----- ½ ∙ 22, 4 dm 3 H 2 ü x ≈ 0, 112 dm 3 H 2 1, 08 g Ag -------x

Zadanie 13 z rozwiązaniem v Dwa elektrolizery połączono równolegle: I – roztwór wodny. Ag. NO 3, II – roztwór wodny Cu. SO 4, przez elektrolizery przepłynął łączny ładunek 289 500 C. v Oblicz, ile gramów miedzi wydzieliło się w elektrolizerze II, jeżeli w elektrolizie I wydzieliło się 162 g srebra. v Analiza i założenia do zadania: Ø procesy elektrodowe: ü elektrolizer I ü K(-): Ag+ + 1 e- Ag ü A(+): 2 H 2 O O 2 + 4 H+ + 4 eü elektrolizer II ü K(-): Cu 2+ + 2 e- Cu ü A(+): 2 H 2 O O 2 + 4 H+ + 4 eü w przypadku elektrolizerów połączonych równolegle: q = q. Ag+ + q. Cu 2+

Zadanie 13 z rozwiązaniem / cd Ø obliczenie ładunku potrzebnego do rozładowania 135 g kationów Ag+: ü 108 g Ag+ ----- 96 500 C ü x = 120 625 C = q. Ag+ 135 g Ag+ ----- x Ø obliczenie ładunku zużytego do rozładowania kationów Cu 2+: ü q. Cu 2+ = q - q. Ag+ = 289 500 C - 120 625 C = 168 875 C Ø obliczenie masy miedzi wydzielonej w II elektrolizerze: ü 63, 5 g Cu 2+ ---- 2 ∙ 96 500 C x ≈ 55, 56 g Cu x ---- 168 875 C

Zadanie 14 z rozwiązaniem v Elektrolit zawiera 0, 2 mola Au(NO 3)3 i 0, 6 mola Ag. NO 3. Przez elektrolit w elektrolizerze przepłynął łączny ładunek 1 Faradaya / 1 F. v Oblicz, ile gramów kationów srebra pozostanie w elektrolicie przy 100% wydajności prądowej. v Analiza i założenia do zadania: Ø procesy elektrodowe: ü K(-): Ag+ + 1 e- Ag ü K(-): Au 3+ + 3 e- Au ü A(+): 2 H 2 O O 2 + 4 H+ + 4 eØ w pierwszej kolejności zostaną rozładowane kationy Au 3+/E 0 ≈ 1, 5 V pozostały ładunek zostanie zużyty na rozładowanie kationów Ag+/E 0 ≈ 0, 8 V; q. Ag+ = q - q. Au 3+

Zadanie 14 z rozwiązaniem / cd Ø obliczenie ładunku niezbędnego do rozładowania kationów Au 3+: ü 1, 0 mol Au 3+ ------- 3 ∙ F ü x = 0, 6 F = q. Au 3+ 0, 2 mol Au 3+ ------x Ø obliczenie pozostałego ładunku do rozładowania kationów Ag+: ü q. Ag+ = q - q. Au 3+ = 1 F - 0, 6 F = 0, 4 F Ø obliczenie liczby moli i masy srebra wydzielonego na katodzie elektrolizera: ü 1 mol Ag+ ---- 1, 0 F ü m. Ag+ = (0, 6 mol– 0, 4 mol)∙ 108 g/mol x ---- 0, 4 F ü m. Ag+ = 21, 6 g Ag ------------x = 0, 4 mol Ag+