Номер 1215, страница 279 - гдз по физике 10 класс сборник задач Дорофейчик, Белая

1215. В трех сосудах (рис. 291) находятся электролиты: в первом — раствор $HCl$, во втором — $CuCl_2$, в третьем — $CuSO_4$. Какие вещества будут осаждаться (выделяться) на электродах при прохождении электрического тока через эти электролиты? Одинаковая ли масса хлора выделится на электродах I и II сосудов?

Рис. 291

Дано:

Три электролитические ванны, соединенные последовательно.

Сосуд I: водный раствор HCl (соляная кислота).

Сосуд II: водный раствор CuCl₂ (хлорид меди(II)).

Сосуд III: водный раствор CuSO₄ (сульфат меди(II)).

Найти:

1. Какие вещества выделяются на электродах в каждом сосуде?

2. Будет ли масса хлора, выделившегося в сосудах I и II, одинаковой?

Решение:

Какие вещества будут осаждаться (выделяться) на электродах при прохождении электрического тока через эти электролиты?

При электролизе водных растворов на катоде (отрицательно заряженном электроде) происходит восстановление катионов или молекул воды, а на аноде (положительно заряженном электроде) – окисление анионов или молекул воды.

Сосуд I (раствор HCl):

В растворе присутствуют ионы $H^+$, $Cl^-$ и молекулы воды H₂O.

На катоде (–): Катионы водорода $H^+$ восстанавливаются до газообразного водорода.

Процесс на катоде: $2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow$

На аноде (+): Анионы хлора $Cl^-$ окисляются до газообразного хлора, так как окисление галогенид-ионов (кроме $F^−$) происходит легче, чем окисление воды.

Процесс на аноде: $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2 \uparrow$

Таким образом, в первом сосуде на катоде выделяется водород, а на аноде – хлор.

Сосуд II (раствор CuCl₂):

В растворе присутствуют ионы $Cu^{2+}$, $Cl^-$ и молекулы воды H₂O.

На катоде (–): Ионы меди $Cu^{2+}$ являются катионами металла, стоящего в ряду активности после водорода, поэтому они восстанавливаются легче, чем ионы водорода из воды. Происходит осаждение металлической меди.

Процесс на катоде: $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu \downarrow$

На аноде (+): Как и в первом случае, анионы хлора $Cl^-$ окисляются до газообразного хлора.

Процесс на аноде: $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2 \uparrow$

Таким образом, во втором сосуде на катоде осаждается медь, а на аноде выделяется хлор.

Сосуд III (раствор CuSO₄):

В растворе присутствуют ионы $Cu^{2+}$, $SO_4^{2-}$ и молекулы воды H₂O.

На катоде (–): Аналогично второму сосуду, на катоде восстанавливаются ионы меди $Cu^{2+}$.

Процесс на катоде: $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu \downarrow$

На аноде (+): Сульфат-ион $SO_4^{2-}$ является кислородсодержащим анионом, поэтому вместо него окисляются молекулы воды с выделением кислорода.

Процесс на аноде: $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$

Таким образом, в третьем сосуде на катоде осаждается медь, а на аноде выделяется кислород.

Ответ: В сосуде I на катоде выделяется водород (H₂), на аноде – хлор (Cl₂). В сосуде II на катоде осаждается медь (Cu), на аноде – хлор (Cl₂). В сосуде III на катоде осаждается медь (Cu), на аноде – кислород (O₂).

Одинаковая ли масса хлора выделится на электродах I и II сосудов?

Сосуды соединены последовательно, что означает, что через каждый из них проходит одинаковое количество электричества (заряд $q$) за одно и то же время, так как сила тока $I$ в цепи одинакова ($q = I \cdot t$).

Согласно объединенному закону Фарадея, масса вещества ($m$), выделившегося на электроде, прямо пропорциональна количеству прошедшего электричества ($q$) и молярной массе эквивалента вещества.

Формула закона Фарадея: $m = \frac{M}{z \cdot F} \cdot q$, где $M$ – молярная масса вещества, $z$ – число электронов, участвующих в электродном процессе для образования одной молекулы (или атома) вещества, $F$ – постоянная Фарадея.

В сосудах I и II на анодах происходит один и тот же процесс – окисление хлорид-ионов с образованием молекулярного хлора:

$2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2$

Для этого процесса число электронов $z=2$, а молярная масса выделяющегося вещества – $M(Cl_2)$.

Масса хлора, выделившегося в сосуде I: $m_1 = \frac{M(Cl_2)}{2 \cdot F} \cdot q$

Масса хлора, выделившегося в сосуде II: $m_2 = \frac{M(Cl_2)}{2 \cdot F} \cdot q$

Поскольку все величины в правых частях уравнений ($M(Cl_2)$, $z=2$, $F$ и $q$) одинаковы для обоих сосудов, то и массы выделившегося хлора будут равны: $m_1 = m_2$.

Ответ: Да, масса хлора, выделившегося на электродах в сосудах I и II, будет одинаковой.