Электролиз водных растворов солей

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КАФЕДРА ХИМИЯ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
«Электролиз водных растворов солей»
Работу выполнил студент
гр. _______
ф-т ____________
Ф.И.О. _________________________________________________
Дата выполнения работы: «___» _____________20__г.
Работу проверил преподаватель:
/
«___» _____________20__г.
Оценка:
Цель работы: Экспериментально исследовать электролиз заданных растворов: определить порядок
разрядки веществ на катоде и аноде, установить разницу протекания процесса электролиза с
инертным и активным анодом. Сопоставить результаты эксперимента с теоретическими данными.
Научиться записывать схемы электролиза и уравнения анодных и катодных процессов.
ОПЫТ 1. ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРА ИОДИДА КАЛИЯ
Построение гипотезы:
1. Электролиз это _____________________________________________________________________
2. Катод – это электрод___________________________________________________________________
3. Анод – это электрод___________________________________________________________________
4. Электродами могут быть: а)_____________________________________________________________
б)____________________________________________________________
5. Нерастворимые электроды - это ________________________________________________________
6. В зависимости от ионов, присутствующих в растворе написать конкурирующие процессы:
а) на катоде:
а1)____________________________________________________________________________________
а2)____________________________________________________________________________________
а3)____________________________________________________________________________________
б) на аноде:
б1)____________________________________________________________________________________
б2)____________________________________________________________________________________
б3)____________________________________________________________________________________
7. Написать уравнение диссоциации иодида калия в водном растворе___________________________
8. Какой процесс будет протекать на катоде при электролизе водного раствора иодида калия и
почему________________________________________________________________________________
9. Какой процесс будет протекать на аноде при электролизе водного раствора иодида калия и
почему________________________________________________________________________________
10. Запишите суммарное уравнение электролиза водного раствора иодида калия__________________
Методика выполнения опыта
Электролиз водного раствора иодида калия
можно провести в электролизере (рис.1).
В всех опытах электролизер заполняют на 1/2
его объема. Электролизер и электроды перед
каждым опытом промывают водопроводной, а
затем дистиллированной водой.
В стеклянный сосуд электролизера налейте до
метки раствор иодида калия и добавьте по 5-6
капель фенолфталеина и крахмала. Опустите в
электролизер
графитовые
электроды,
присоединённые к источнику постоянного
Рис. 1. Схема лабораторного электролизера;
тока. Включите выпрямитель в сеть. Через
1 – источник постоянного тока;
некоторое время отметьте изменение цвета
2 - графитовые электроды; 3 - электролит
раствора в катодном и анодном пространстве
электролизера. По окончании опыта анод протрите сначала раствором тиосульфата натрия, а затем
промойте дистиллированной водой.
2
Отметьте свои наблюдения:
1. Изменился ли цвет раствора прикатодном пространстве________________________________
а) Если да, то на какой цвет_________________________________________________________
б) Объясните, почему изменился цвет раствора__________________________________________
написать уравнение реакции
2. Изменился ли цвет раствора прианодном пространстве_________________________________
а) Если да, то на какой цвет__________________________________________________________
б) Объясните почему изменился цвет раствора__________________________________________
написать уравнение реакции
Вывод:_________________________________________________________________________
подтвердилась ли в ходе эксперимента выдвинутая гипотеза
ОПЫТ 2. ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРА ХЛОРИДА ОЛОВА
Построение гипотезы:
1. В какой последовательности выделяются на катоде металлы из смеси солей цинка, серебра (I) и
олова (II); написать уравнение реакций___________________________________________________
а) ___________________________________________________________________________________
б)_____________________________________________________________________________________
в)____________________________________________________________________________________
2. Написать уравнение диссоциации соли хлорида олова _________________________________
3. Какой процесс будет протекать на катоде при электролизе водного раствора хлорида олова (II) и
почему________________________________________________________________________________
4. Какой процесс будет протекать на аноде при электролизе водного раствора хлорида олова (II) и
почему________________________________________________________________________________
5. Запишите суммарное уравнение электролиза водного раствора хлорида олова
_________________________________________________________________________________
6. Написать уравнение взаимодействия иодида калия с хлором________________________________
Методика выполнения опыта
В стеклянный сосуд электролизера налейте до метки раствор хлорида олова. Опустите в
электролизер графитовые электроды, присоединённые к источнику постоянного тока. Включите
выпрямитель в сеть. Через 4-5 мин после пропускания электрического тока выньте анод из
электролизера, прибавьте в анодное пространство по 3-4 капли растворов иодида калия и крахмала.
Отметить свои наблюдения
1. Что выделяется на катоде________________________________________________________
написать уравнение реакции
2. Изменился ли цвет раствора прианодном пространстве________________________________
3. Объясните почему цвет раствора крахмала изменился_________________________________
Вывод:__________________________________________________________________________
подтвердилась ли в ходе эксперимента выдвинутая гипотеза
3
ОПЫТ 3. ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРА СУЛЬФАТА НАТРИЯ
Построение гипотезы:
1. В какой последовательности будут выделяться металлы в свободном виде из смеси расплава
солей меди (II), алюминия (II), свинца (II), магния и натрия; написать уравнения реакции:
а)__________________________________________________________________________________
б)__________________________________________________________________________________
в)__________________________________________________________________________________
г)__________________________________________________________________________________
д)__________________________________________________________________________________
2. Написать уравнение диссоциации сульфата натрия _________________________________
3. Какой процесс будет протекать на катоде при электролизе водного раствора сульфата натрия и
почему________________________________________________________________________________
4. Какой процесс будет протекать на аноде при электролизе водного раствора сульфата натрия и
почему________________________________________________________________________________
5. Запишите суммарное уравнение электролиза водного раствора сульфата натрия
______________________________________________________________________________________
Методика выполнения опыта
В конической колбе смешайте раствор сульфата натрия с нейтральным раствором лакмуса.
Перелейте полученный раствор в электролизер. Опустите в электролизер графитовые электроды,
присоединённые к источнику постоянного тока. Включите выпрямитель в сеть.
1. Изменился ли цвет раствора прикатодном пространстве и почему___________________________
2. Изменился ли цвет раствора прианодном пространстве________________________________
Вывод:_________________________________________________________________________
подтвердилась ли в ходе эксперимента выдвинутая гипотеза
ОПЫТ 4. ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРА СУЛЬФАТА МЕДИ С ИНЕРТНЫМ И
РАСТВОРИМЫМ АНОДОМ
Построение гипотезы:
1. Инертный электрод - это_______________________________________________________________
2. Растворимый электрод – это____________________________________________________________
3. Имеются следующие электроды: графитовый, угольный, платиновый, железный, медный, свинцовый. Какие из этих электродов могут быть использованы:
а) как инертные аноды___________________________________________________________________
перечислить
б) как растворимые аноды________________________________________________________________
перечислить
4. Написать уравнение диссоциации сульфата меди __________________________________________
5. Какой процесс будет протекать на катоде при электролизе водного раствора сульфата меди (II) и
почему________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
6. Какой процесс будет протекать на аноде при электролизе водного раствора сульфата меди (II) и
почему________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
7. Запишите суммарное уравнение электролиза водного раствора сульфата меди (II) с инертным
электродом____________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
4
8. Какой процесс будет протекать на катоде и аноде при электролизе водного раствора сульфата меди
(II) с медным анодом и почему____________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
9. Запишите суммарное уравнение электролиза водного раствора сульфата меди (II) с медным
анодом________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
Методика выполнения опыта
В стеклянный сосуд электролизера налейте до метки раствор сульфата меди. Опустите в
электролизер графитовые электроды, присоединённые к источнику постоянного тока. Включите
выпрямитель в сеть. Через несколько минут прекратите электролиз.
Отметить свои наблюдения:
Что произошло на катоде__________________________________________________________
Изменился ли цвет раствора прианодном пространстве________________________________
Поменяйте полюса так, чтобы анодом стал катод, покрытый слоем металлической меди.
Снова пропускайте электрический ток.
Отметить свои наблюдения:
Что наблюдается на катоде?_________________________________________________________
Что происходит на аноде?__________________________________________________________
Вывод:_________________________________________________________________________
подтвердилась ли в ходе эксперимента выдвинутая гипотеза
ОПЫТ 5. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ПОЛУЧЕНИЕ МЕДИ (МЕДНЕНИЕ)
Построение гипотезы:
1. Даны водные растворы солей меди (), свинца (), олова (), алюминия, магния, цинка, калия. Какие
из этих солей могут быть использованы в качестве катодного покрытия изделия
________________________________________________________________________________
перечислить
2. Выход по току – это_____________________________________________________________
3. Масса, образующегося при электролизе вещества пропорциональна______________________
4. Вычислить количество серебра, выделившегося при пропускании через раствор нитрата серебра()
тока силой 5А в течение 10 мин._____________________________________________________
5. Какой объем водорода (н.у) выделится на катоде, если пропускать через раствор иодида калия ток
силой в 4А в течение 15 мин._____________________________________________________________
6. Сколько времени нужно пропускать ток силой в 2А через раствор соли никеля(), чтобы покрыть
металлическую пластинку площадью 200 см2 слоем никеля, толщиной 0,01 мм, если плотность
никеля 8,9г/см3. Выход по току составляет 90%.
Методика выполнения опыта
1. Вычислите силу тока, при которой плотность тока отвечала бы заданной в работе 200 А/м 2. Для
этого измерьте площадь катода (цинковой пластинки) и используйте формулу J=ik·S, где:
ik - катодная плотность тока, S - площадь катода.___________________________________________
2. Подготовка к меднению: - механическая обработка: тонкую цинковую пластинку (длиной 3–4 см
и шириной 1-2 см) с прикрепленной к одному концу медной проволокой очистите наждачной
5
бумагой; - обезжиривание: с помощью пинцета опустите очищенную пластинку на 1–2 минуты в
15%-ный раствор щелочи, а затем, не касаясь руками пластинки, промойте ее дистиллированной
водой из промывалки; - травление: с помощью пинцета опустите обезжиренную пластинку на 1–2
минуты в 2 М раствор HCl для освобождения поверхности металла от оксидов, а затем, не касаясь
руками пластинки, промойте ее дистиллированной водой из промывалки и положите на
фильтровальную бумагу.
3. Определите массу цинковой пластинки до электролиза, взвесив с точностью до 0,001 г.__________
4. В электролизер (химический стакан) налейте электролит для меднения (СuSO4·7 H2O 200 г/л,
NaSO4 ·10 H2O 30 г/л; NaCl 10 г/л, Н3BO3 30 г/л или серная кислота, добавлять по каплям до нужного
значения рН). В целях получения раствора с определенным значением рН в пределах 5,0 - 5,5 в
электролит вводят борную или серную кислоту. Для повышения электропроводности к раствору
прибавляют сульфат натрия, а для повышения растворимости анодов добавляют в небольших
количествах хлорид натрия.
5. Погрузите в электролит медную и цинковую пластинки, присоединенные с помощью проводов к
источнику постоянного тока. Включите выпрямитель в сеть. Задайте рассчитанную силу тока.
Электролиз проводите в течение 10-15 минут. После этого отключите источник постоянного тока и
выньте пластины из раствора. По окончании электролиза катод промойте проточной и
дистиллированной водой, просушите фильтровальной бумагой.
6. Определите массу цинковой пластинки после электролиза, взвесив с точностью до
0,001 г.__________. Результаты занесите в табл.1.
7.
Рассчитайте
теоретическую
массу
меди,
которая
должна
выделиться
на
катоде_____________________________________________________________________________
8. Рассчитайте выход по току _______________________________________________________
Время
электролиза, c.
Сила
тока,
A
Масса цинковой
пластинки для меднения, г
до
после
электроли электролиза
за
Масса медного
покрытия, определенная
экспериментально, г
Масса медного
покрытия,
рассчитанная
теоретически, г
Выход
по
току,
%
Вывод:_____________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
6
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Из каких веществ обычно делают инертные аноды?
______________________________________________________________________________________
2. Из каких веществ состоят растворимые аноды?
______________________________________________________________________________________
3. Что происходит при электролизе с растворимым анодом?
______________________________________________________________________________________
4. Как по положению металла в электрохимическом ряду напряжений определить какие продукты
образуются на катоде при электролизе водных растворов солей?
______________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
5. Какие процессы протекают на электродах при электролизе раствора хлорида никеля (II), в случае:
а)никелевого анода; б) угольного анода.
______________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
6. В какой последовательности выделяются на катоде металлы при электролизе раствора,
содержащего ионы Zn2+, Ag+, Sn2+?
______________________________________________________________________________________
7. Какие металлы можно получить путем электролиза из водных растворов их солей?
______________________________________________________________________________________
Какие металлы нельзя получить таким способом?
______________________________________________________________________________________
8. Написать уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе водных растворов а)
H2SO4, б) Pb(NO3)2 с платиновыми электродами.
______________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
9. Написать уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе водных растворов а)
BaCl2, б) Ni(NO3)2 с угольными электродами.
______________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
10. Написать уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе водных растворов а)
FeCl3, б) Ca(NO3)2 с инертным анодом.
______________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
11. При электролизе раствора сульфата никеля током 10 А в течение 5 часов (электроды угольные) на
катоде выделилось 50 г. никеля. Какой продукт образуется на аноде и в каком количестве?
Вычислить выход никеля по току.
______________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
12. Какой промежуток времени следует пропускать ток силой 0,5 А через раствор нитрата серебра
для выделения 0,27 г. серебра?
______________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
7
Приложение 1.
Стандартные электродные потенциалы в водных растворах по водородной шкале
Электрод
Электродный
процесс
Е0, В
Электрод
Электродный
процесс
Е0, В
Si+ / Si
K+ / K
Ba2+ / Ba
Ca2+ / Ca
Na+ / Na
Mg2+ / Mg
Al3+ / Al
Mn2+ / Mn
Zn2+ / Zn
Si+ + e– = Si
K+ + e – = K
Ba2+ + 2e– = Ba
Ca2+ + 2e– = Ca
Na+ + e– = Na
Mg2+ + 2e– = Mg
Al3+ + 3e– = Al
Mn2+ + 2e– = Mn
Zn2+ + 2e– = Zn
–3,045
–2,925
–2,900
–2,870
–2,714
–2,370
–1,70
–1,180
–0,763
Pb2+ / Pb
2H+ / H2
Cu2+ / Cu
Ag+ / Ag
Hg2+ / Hg
Au3+ / Au
O2 / OH–
2J– / J2
NO3– / N2O4
–0,126
0
0,337
0,799
0,854
1,500
0,401
0,530
0,800
Cr3+ / Cr
Cr3+ + 3e– = Cr
–0,740
NO3– / HNO2
Fe2+ / Fe
Co2+ / Co
Fe2+ + 2e– = Fe
Co2+ + 2e– = Co
–0,440
–0,403
2 Br– / Br2
2 Cl– / Cl2
Pb2+ + 2e– = Pb
2 H+ + 2e– = H2
Cu2+ + 2e– = Cu
Ag+ + e– = Ag
Hg2+ + 2e– = Hg
Au3+ + 3e– = Au
O2 + 2H2O + 4e– = 4OH–
2 J– – 2e– = J2
+
4H + 2NO3– + 2e– =
=N2O4 + 2H2O
3H+ + NO3– + 2e– =
=HNO2 + H2O
2 Br– – 2e– = Br2
2Cl– –2e– = Cl2
8
0,940
1,070
1,360