Лабораторна робота № 4

І. ТЕМА: Електроліз розчину натрій хлориду бездіафрагменним методом.

ІІ. МЕТА:

1. Провести електроліз водного розчину натрій хлориду при заданих параметрах.

2.   Визначити вихід за струмом, вихід за енергією та коефіцієнт витрати електроенергії.

ІІІ. НА ЗАНЯТТІ НЕОБХІДНО:

1. Виконати роботу у відповідності до вимог даної методичної розробки.

2. Оформити звіт про виконану роботу і здати його викладачу.

ІІІ. ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ:

1. Вивчити теоретичний матеріал з [1] (ст. 181  191); [3] (ст. 329  349); [4] (ст. 137  143); [16] (ст. 163  182).

2. Засвоїти методику виконання лабораторної роботи та розрахунків у відповідності до даної методичної розробки.

ІV. КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ:

1. Що називається електролізом ? Закони електролізу.

2. Механізм і послідовність виділення продуктів електролізу. Ряд напруг.

3. Що таке вихід за струмом та вихід за енергією? Напруга розкладу, перенапруга.

4. Хімічний та електрохімічний еквівалент.

5. Електроліз розплаву і розчину натрій хлориду. Процеси, що протікають на електродах. Будова електролізера.

6. Реакції окиснення-відновлення. Урівнювання методом електронного балансу та напівреакцій.

7. Та інші, згідно вказаного в п. Ііі .1. Теоретичного матеріалу.

V. Перелік обладнання та реактивів:

Колби для титрування (2 шт);	електролізер;
піпетка, бюретка, лійка;	кулонометр,
натрій хлорид – 300 г/л;	вольтметр; амперметр;
розчин КІ 10%-ний;	реостат;
розчин Na2S2O3 0,1000 моль/л;	розчин H2SО4 10%-ний;
суміш для заливання кулонометра (CuSO4 – 125 г/л, H2SO4 – 50 г/л, етиловий спирт 20 г/л).

Vі. Теоретична частина

Електроліз – окисно-відновний процес, що протікає на електродах при проходженні постійного електричного струму через розчин або розплав електроліту.

В електроліті під дією полярних молекул розчинника або високої температури відбувається процес електролітичної дисоціації:

NaCl → Na⁺ + Cl^.

При накладанні потенціалу від зовнішнього джерела постійного струму, до електродів за законами електростатичної взаємодії мігрують утворені йони:

K (–) A(+)

Na⁺ Cl^–

Якщо, потенціал, накладений на електроди достатній, то окисно-відновний процес починається. Слід зазначити, що для розрядження будь-якого катіона на катоді потрібно, щоб потенціал розрядження перевищував потенціал, який виникає при рівноважному розчиненні цього металу, тобто був більш негативним, ніж рівноважний потенціал зворотної реакції. Потенціал розрядження аніонів, навпаки, повинен бути більш позитивним, ніж рівноважний потенціал зворотної реакції.

Потенціал розрядження йонів внаслідок виникнення явищ перенапруги значно відрізняється від зворотних електродних потенціалів у тих самих умовах. Різницю між дійсним потенціалом розрядження йонів при електролізі і значенням зворотного потенціалу для стану рівноваги називають перенапругою на даному електроді. Перенапругу зменшують зниженням густини струму, збільшенням поверхні електродів, застосуванням електродів з губчастою і матовою поверхнею, підвищенням температури електроліту та іншими засобами. Зниження перенапруги на ванні за рахунок зменшення густини струму призводить одночасно до зменшення продуктивності електролітичної ванни. Тому для кожного типу ванн встановлюють оптимальну густину струму, зниження якої, незважаючи на можливість зниження напруги, стає економічно невигідним.

Окисно-відновний процес у розплаві NaCl здійснюється за схемою:

К(–) : Na⁺ + ē → Na⁰ А(+) : 2Cl^ –2ē = Cl₂⁰

Таким чином, на катоді, в розглянутому прикладі виділяється металічний натрій, на аноді – газуватий хлор. В разі, коли електроліт – складна система і містить конкуруючі компоненти, порядок відновлення на катоді можна передати схемою:

Ряд стандартних електродних потенціалів

Li⁺ Al³⁺ Н⁺ Au⁺

Mg²⁺ + 2ē ≠ Zn²⁺ + 2ē = Zn⁰ Hg²⁺ + 2ē = Hg⁰

2H⁺ + OH^– + 2ē = H₂↑ + 2OH^– 2H⁺+ OH^– + 2ē = H₂↑ + 2OH^– 2H⁺ + OH^– + 2ē ≠

На аноді у водних розчинах, насамперед, будуть окиснюватись безкисневі аніони, а саме: СІ^, Вr^, I^, S^2. В присутності кисневмісних аніонів іде процес окиснення води за схемою:

2Н₂О – 4ē = 4Н⁺ + О₂ ↑.

Кількісні співвідношення при електролізі див. теоретичну частину до лабораторної роботи № 5.

ОПИС УСТАНОВКИ І ПРОЦЕСІВ, ЩО ВІДБУВАЮТЬСЯ В НІЙ

Одним із варіантів проведення електролізу водного розчину натрій хлориду є процес в електролізері з нерозділеним анодним і катодним простором, що здійснюється при інтенсивному перемішуванні електроліту. В якості електродних матеріалів використовується графітовий анод і свинцевий катод (див. рис. 3).

Рис. 3. Схема установки для проведення електролізу водного розчину NaCl.

Процес, що відбувається в електролізері, можна виразити схемою:

NaCl  Na⁺ + Cl⁻.

Катод (–): 2 H₂O + 2ē = H₂↑ + 2 ОН⁻ (на електроді);

2 Na⁺ + 2 ОН^– = 2NaОН (в розчині);

Анод (+): 2Сl – 2ē = Cl₂⁰ ↑ (на електроді);

H₂O + СІ₂ = НСІ + НСІО (в розчині).

3 Н₂О + 2NaCI = H₂↑ + NaCl + NaClO + 2H₂O;

Н₂О + NaCI → H₂↑ + NaClO.

Одержаний в такий спосіб натрій хлорат(І) знаходить широке використання в якості дезинфікуючого і відбілюючого засобу.

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Почистити, помити і висушити катод кулонометра і зважити його на аналітичних терезах. Результати зважування записати в пункті 6.

2. Залити кулонометр електролітом (СuSO₄, H₂SO₄, C₂H₅OH) і занурити електроди.

3. Залити в електролізер 500 см³ дистильованої води, зважити 10 г натрій хлориду і висипати в електролізер. Ввімкнути магнітну мішалку і розчинити наважку NaCl.

4. Зібрати установку, занурити електроди і після перевірки установки викладачем або лаборантом ввімкнути джерело струму. Встановити за допомогою реохорда силу струму, рівну 0,5−0,8 А. Проводити електроліз фіксований термін часу (≈ 1,5 години).

5. В ході роботи 3 рази записати значення напруги електролізу, потім розрахувати її середнє значення:

U₁ =

U₂ = U_сер =

U₃ =

6. Після закінчення процесу електролізу струм вимкнути і визначити масу катода кулонометра:

m (катода після електролізу) =

m (катода до електролізу) =

m (Сu) =

7. Установити масу одержаного натрій гіпохлориту. Для цього відібрати піпеткою пробу електроліту об’ємом 50 мл в колбу для титрування, додати 10 мл розчину (10%-ного) KI і 10 мл 10%-ного розчину H₂SO₄ і відтитрувати йод, що виділився, розчином натрій тіосульфату з концентрацією 0,1 моль/л. Титрування провести ще раз і для розрахунків взяти середнє значення.

V₁(Na₂S₂O₃) =

V₂(Na₂S₂O₃) =

V_сер.(Na₂S₂O₃) =

Розрахувати масу NaClO за формулою:

8. За ІІ законом Фарадея визначити теоретичну масу натрій гіпохлориту, що повинна була б утворитись:

9. Теоретичний вихід натрій гіпохлориту можна також обрахувати за формулою, в якій об’єднано обидва закони Фарадея:

,

де І - сила струму , А; τ - час електролізу, год; F - стала Фарадея, рівна 26,8 А∙год/моль.

10. Дані про кількість натрій гіпохлориту, одержані при розрахунках в пунктах (8) і (9) слід порівняти, щоб переконатися у правильності розрахунків.

11. Розрахувати вихід за струмом:

12. Практично витрачену кількість енергії визначають за допомогою експерименту:

W_пр. = Q ∙ U_пр. = I ∙ τ ∙ U_пр; Вт∙год,

де U_пр. – дійсна напруга на ванні (U_сер з п. 5), В; I – сила струму, А; τ – час, год.

13. Розрахувати теоретично витрачену кількість енергії:

(Теоретична електрорушійна сила розкладу натрій хлориду U_теор. = 2,171 В).

14. Далі визначають вихід за енергією або ступінь використання енергії μ:

15. Витрату енергії на вагову одиницю продукту електролізу – коефіцієнт витрати енергії β – визначають за формулою:

16. Зробити відповідні висновки.