Химия
8 класс
Вопрос
В электролизер, катод которого изготовлен из стали, а анод из графита, поместили $2,5 м^3$ 10 %-ного раствора хлористого натрия. Электролиз производили при низкой техмпературе, обеспечивая взаимодействие образующихся продуктов реакции с раствором. Сила тока в электролизере была равна 1000 А, а напряжение подобрали таким образом, чтобы на аноде мог выделяться только хлор. Через некоторое время электролиз прекратили и из электролизера отобрали пробу раствора объемом в 50 мл. Пробу обработали раствором иодида калия и разбавленной серной кислотой. На титрование полученного в результате этого раствора израсходовано 40 мл 0,5 н. раствора $Na_2S_2O_3$.
а. Приведите уравнения химических реакций, описанных в задаче.
б. Предполагая, что во время электролиза объем раствора не изменился, вычислите массу новой соли, образовавшейся в растворе, и продолжительность процесса электролиза.
Ответ
При электролизе водного раствора хлорида натрия на катоде происходит выделение водорода
$2H_2O + 2e = H_2 + 2OH^{-}$
на аноде выделяется свободный хлор
$2Cl^{-} - 2e = Cl_2$.
Поскольку водород выделяется за счет разрушения молекул воды, в растворе накапливаются ионы $OH^{-}$
$2NaCl + 2H_2O = H_2 + 2NaOH + Cl_2$.
При перемешивании раствора хлор будет взаимодействовать с раствором щелочи
$Cl_2 + 2OH^{-} = Cl^{-} + OCl^{-} + H_2O$.
Образовавшийся раствор гипохлорита окисляет раствор иодида калия
$2I^{-} + OCl^{-} + H_2O = Cl^{-} + I_2 + 2OH^{-}$.
(Раствор иодида подкислен серной кислотой, поскольку окисление иодида гипохлоритом происходит как в щелочной, так и в кислой среде, но в щелочной или нейтральной среде, когда в ходе реакции, как показывает уравнение образуется щелочь, раствор иодида неустойчив и быстро обесцвечивается
$3I_2 + 6OH^{-} = 5I^{-} + IO_3^{-} + 3H_2O$.
Подкисление предотвращает этот процесс, который может помешать количественному определению выделившегося иода.)
Образовавшийся при реакции иод оттитрован раствором тиосульфата натрия
$I_2 + 2Na_2S_2O_3 = 2NaI + Na_2S_4O_6$.
По затраченному на титрование объему раствора тиосульфата известной нормальной концентрации можно установить концентрацию раствора гипохлорита:
1 моль $NaOCl$ соответствует 1 молю $I_2$ и 2 молям $Na_2S_2O_3$. В 40 мл 0,5 н. раствора $Na_2S_2O_3$ ($Э = M$) содержится $0,04 \times 0,5 = 0,02$ г-экв, или 0,02 моля, $Na_2S_2O_3$, что соответствует содержанию в отобранной для анализа пробе 0,01 моля $NaOCl$. Если в 50 мл пробы содержится 0,01 моля, то в $2,5 м^3$ раствора содержалось
$n = \frac {2,5 \cdot 10^6 \: мл \cdot 0,01 \: моля}{50 \: мл} = 500$ молей,
или
$74 \cdot 500 = 3700 \: г = 3,7$ кг, $NaOCl$ ($M = 74$).
Для получения 1 моля $NaOCl$ необходимо $2 \cdot 96500 = 193000 Кл = 2 F$ [1 $F$ (фарадей) - количество электричества, необходимое для выделения 1 г-экв вещества, равное 96500 Кл]. Для образования 500 молей потребуется $1000 F$, или $9,65 \cdot 10^7$ Кл. По формуле $q = I \cdot t$ при силе тока 1000 А продолжительность электролиза составит $9,65 \cdot 10^7 : 1000 = 9,65 \cdot 10^4 с = 26,8$ ч.