§ 3. Застосування електролізу

Зміст

Вправа № 3

1. Установіть відповідність між зображеним експериментом (1–3) і назвою відповідного виробничого процесу (А–Г).

2. На рис. 1 наведено схематичне зображення електричного кола.

1) Назвіть основні складники кола.

Основними елементами кола є джерело постійного струму, амперметр, ванна з електролітом (розчин аргентум(I) нітрату ${\text{AgNO}}_3$), два металеві електроди, ключ і з’єднувальні проводи.

2) Який електрод слугує катодом, а який — анодом?

Електрод, приєднаний до негативного полюса джерела струму (лівий), є катодом, а електрод, підключений до позитивного полюса (правий), — анодом.

3) На якому електроді виділяється срібло?

Срібло відновлюється та осідає на негативно зарядженому електроді — катоді.

4) Якою є сила струму в колі?

За показом амперметра сила струму становить $I=1,4\text{ А}$.

5) За який час на електроді утвориться шар срібла масою 784 мг?

Дано:
$m=784\text{ мг}=784\cdot 10^{-6}\text{ кг}$
$I=1,4\text{ А}$
$k=1,118\text{ мг/Кл}=1,118\cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}$

Знайти:
$t-?$

Розв’язання:

Згідно з першим законом Фарадея:
$m=k\cdot I\cdot t$

Визначимо час електролізу:
$t=\frac{m}{k\cdot I}$

$t=\frac{784\cdot 10^{-6}\text{ кг}}{1,118\cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}\cdot 1,4\text{ А}}\approx 500\text{ с}$

Відповідь: $t\approx 500\text{ с}$ ($8\text{ хв }20\text{ с}$).

6) Яку енергію буде витрачено під час сріблення, якщо напруга на електродах становить 11 В?

Дано:
$U=11\text{ В}$
$m=784\text{ мг}=784\cdot 10^{-6}\text{ кг}$
$k=1,118\text{ мг/Кл}=1,118\cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}$

Знайти:
$W-?$

Розв’язання:

Робота електричного струму визначається формулою:
$W=U\cdot q$

За законом Фарадея заряд пов’язаний із масою:
$m=k\cdot q⟹q=\frac{m}{k}$

Підставимо заряд у вираз для роботи:
$W=U\cdot \frac{m}{k}$

$W=11\text{ В}\cdot \frac{784\cdot 10^{-6}\text{ кг}}{1,118\cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}}\approx 11\cdot 701,25\approx 7713,75\text{ Дж}$

Відповідь: $W\approx 7,71\text{ кДж}$ ($7713,75\text{ Дж}$).

3. На рис. 2 наведено схематичне зображення електричного кола, до складу якого входить посудина з водним розчином цинк(II) сульфату. За даними рисунка обчисліть товщину шару цинку, що утвориться на катоді в результаті електролізу.

Дано:
$I=0,48\text{ А}$
$t=15\text{ хв}=900\text{ с}$
$S=0,01{\text{ м}}^2$
$k=0,34\text{ мг/Кл}=0,34\cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}$
$\rho =7130{\text{ кг/м}}^3$

Знайти:
$d-?$

Розв’язання:

Маса цинку, що виділився на катоді:
$m=k\cdot I\cdot t$

З іншого боку, маса через геометрію шару:
$m=\rho \cdot V=\rho \cdot S\cdot d$

Прирівняємо обидва вирази:
$\rho \cdot S\cdot d=k\cdot I\cdot t$

$d=\frac{k\cdot I\cdot t}{\rho \cdot S}$

$d=\frac{0,34\cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}\cdot 0,48\text{ А}\cdot 900\text{ с}}{7130{\text{ кг/м}}^3\cdot 0,01{\text{ м}}^2}=\frac{1,4688\cdot 10^{-4}}{71,3}\approx 2,06\cdot 10^{-6}\text{ м}\approx 2,1\text{ мкм}$

Відповідь: $d\approx 2,1\text{ мкм}$.

4. Для сріблення ложок через розчин аргентум нітрату пропускали струм силою 1,8 А. Катодом слугували 12 ложок, кожна з яких мала площу поверхні 50 см². Скільки часу тривав електроліз, якщо на ложках утворився шар срібла завтовшки 58 мкм?

Дано:
$I=1,8\text{ А}$
$N=12$
$S_1=50{\text{ см}}^2=50\cdot 10^{-4}{\text{ м}}^2$
$d=58\text{ мкм}=58\cdot 10^{-6}\text{ м}$
$k=1,118\text{ мг/Кл}=1,118\cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}$
$\rho =10500{\text{ кг/м}}^3$

Знайти:
$t-?$

Розв’язання:

Загальна площа поверхні виробів:
$S=N\cdot S_1=12\cdot 50\cdot 10^{-4}{\text{ м}}^2=0,06{\text{ м}}^2$

Маса виділеного срібла:
$m=\rho \cdot S\cdot d$

За першим законом Фарадея:
$m=k\cdot I\cdot t⟹t=\frac{\rho \cdot S\cdot d}{k\cdot I}$

$t=\frac{10500{\text{ кг/м}}^3\cdot 0,06{\text{ м}}^2\cdot 58\cdot 10^{-6}\text{ м}}{1,118\cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}\cdot 1,8\text{ А}}=\frac{0,03654}{2,0124\cdot 10^{-6}}\approx 18157\text{ с}\approx 5\text{ год}$

Відповідь: $t\approx 5\text{ год}$.

5. Під час рафінування міді анодом слугує пластина неочищеної міді (${\text{Cu}}^{2+}$) масою 2 кг, яка має 12 % домішок. Яку корисну роботу має виконати струм для очищення цієї міді, якщо процес відбувається за напруги 6 В?

Дано:
$m_{\text{заг}}=2\text{ кг}$
$\omega =12$
$U=6\text{ В}$
$k=0,33\text{ мг/Кл}=0,33\cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}$

Знайти:
$A-?$

Розв’язання:

Маса чистої міді, яка має перейти на катод:
$m=m_{\text{заг}}\cdot (1-\omega )$
$m=2\text{ кг}\cdot (1-0,12)=1,76\text{ кг}$

Робота електричного струму:
$A=U\cdot q$

За законом Фарадея:
$q=\frac{m}{k}⟹A=U\cdot \frac{m}{k}$

$A=6\text{ В}\cdot \frac{1,76\text{ кг}}{0,33\cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}}=32\cdot 10^6\text{ Дж}=32\text{ МДж}$

Відповідь: $A=32\text{ МДж}$.

6. Дізнайтеся про застосування електролізу для очищення води. Підготуйте стисле повідомлення.

Електрохімічне очищення води базується на двох ключових процесах: електрокоагуляції та електродезінфекції. У процесі електрокоагуляції розчинні металеві аноди (залізні чи алюмінієві) під дією струму утворюють гідроксиди, які коагулюють і зв’язують органічні та мінеральні домішки у пластівці, що легко фільтруються. Електродезінфекція забезпечує знищення патогенних мікроорганізмів завдяки прямому окисненню на аноді та утворенню активного хлору й озону безпосередньо у водному середовищі, виключаючи необхідність зберігання небезпечних хімічних реагентів.