Химия
8 класс
Вопрос
Электролизу на платиновых электродах подвергли 200 г 10 %-ного раствора хлорида натрия, содержащего несколько капель раствора фенолфталеина. После прекращения электролиза было установлено, что на отрицательно заряженном электроде выделилось $240 см^3$ газа (в перелете на нормальные условия), масса которого составляла 0,0217 г.
Предполагается, что газообразные продукты электролиза, выделившиеся на положительно заряженном электроде, количественно реагируют с раствором, образовавшимся в катодном пространстве электролизера, объем раствора не изменяется вследствие испарения и электролиз проводится при комнатной температуре.
а. Определите, какой газ выделился на отрицательном электроде.
б. Напишите уравнения реакций, протекающих на обоих электродах, а также реакций, которые можно провести между продуктами электролиза.
в. Укажите, какую окраску имел раствор в процессе электролиза.
г. Напишите уравнения электродного процесса, который может происходить при замене платинового катода на ртутный, и определите, каким был бы конечный состав электролита, если бы продукты электролиза не реагировали между собой, а остальные параметры процесса сохранились бы без изменения.
Ответ
Молекулярная масса газа/ выделившегося на катоде, $M = \frac {0,0217 \cdot 22400}{240} = 2,02$, т. е. на катоде выделился
водород;
катод: $2H_2O + 2e = H_2 + 2OH^{-}$,
анод: $2Cl^{-} - 2e = Cl_2$.
Между щелочью, образующейся в растворе, и выделяющимся хлором происходит реакция
$Cl_2 + 2NaOH = NaCl + NaOCl + H_2O$.
Из приведенных уравнений реакций следует, что из 1 моля воды и 1 моля $4NaCl$ образуется 1 моль $H_2$ и 1 моль $NaOCl$, поэтому количественные соотношения между веществами пропорциональны:
2,02 г $H_2 - 74,44 \: г NaOCl - 58,44 \: г NaCl - 18,0 \: г H_2O$,
$0,0217 г H_2 - x \: г NaOCl - y \: г NaCl - z \: г H_2O$,
$x = 0,7997 \: г NaOCl$; $y = 0,6278 \: г$; $z = 0,1936$.
Масса веществ в растворе после окончания электролиза
$m_{H_2O} = 180,0000 - 0,1936 = 179,8064$ г,
$m_{NaCl} = 20,0000 - 0,6278 = 19,3722$ г,
$m_{NaOCl} = 0,7997$ г.
Общая масса раствора $179,8064 + 19,3722 + 0,7997 = 199,9783$ г, и процентное содержание
$NaCl$: $\frac{19,3722 \cdot 100}{199,9783} = 9,69$ %,
$NaOCl$: $\frac{0,6997 \cdot 100}{199,9783} - 0,40$ %,
$H_2O$: $\frac{179,8064 \cdot 100}{199,9783} = 89,91$ %.
В ходе электролиза раствор благодаря присутствию в нем индикатора фенолфталеина сначала начал приобретать у катода розовую окраску вследствие увеличения около него концентрации ионов $OH^{-}$, у анода раствор оставался неокрашенным. При замене платинового катода на ртутный происходит восстановление ионов натрия и образование амальгамы натрия
$Na^{+} + e + nHg \rightarrow Na \cdot nHg$,
на аноде характер электродного процесса не изменится.
(Нельзя исключить, что ртутный анод в отличие от угольного или платинового будет принадлежать к электрохимически окисляющимся, т. е. растворимым анодам, так как даже Платиновые аноды разрушаются при электролизе растворов хлоридов. Тогда на ртутном аноде возможны процессы окисления ртути
$Hg - 2e = Hg^{2+}$,
$2Hg - 2e = Hg_2^{2+}$.)
Если пренебречь возможным изменением характера процессов на аноде, то электролиз раствора хлорида натрия будет происходить по уравнению
$2NaCl + nHg (+ H_2O) = 2Na \cdot nHg + Cl_2$,
и изменение состава раствора будет соответствовать просто удалению эквивалентного (по пропущенному току) количества $NaCl$ из раствора, вода при этом в реакции окисления - восстановления участия не принимает. При тех же условиях из раствора удалится 2 $y$ г $NaCl$, т. е. 1,2556 г, и в растворе останется $20 - 1,2556 = 18,7444 \: г \: NaCl$ и $180,0000 \: г \: H_2O$. Следовательно, масса раствора станет $18,7444 + 180,0000 = 198,7444$ г, и процентное содержание в нем $NaCl$
$\frac{18,7444 \cdot 100}{198,7444} = 9,43$ %.