Номер 5, страница 216 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 45. Медь. Глава 4. Металлы побочных подгрупп - номер 5, страница 216.

Условие.

4. Что называют электролитическим рафинированием?

5. Напишите уравнения реакций электролиза растворов:

а) хлорида меди(II) с инертными электродами;

б) хлорида меди(II) с медным анодом;

в) сульфата меди(II) с инертными электродами

Решение.

Решение 2.

4. Электролитическое рафинирование — это электрохимический метод глубокой очистки металлов от примесей. Этот метод основан на явлении электролиза и чаще всего применяется для очистки меди, никеля, свинца, олова и других металлов.

Процесс осуществляется в электролизере, где:

• Анодом (положительным электродом) служит пластина из неочищенного (чернового) металла, который подлежит рафинированию.
• Катодом (отрицательным электродом) является тонкий лист химически чистого металла.
• Электролитом является водный раствор соли рафинируемого металла (например, для меди используют раствор $CuSO_4$).

При пропускании постоянного электрического тока через систему происходят следующие процессы:

На аноде (+) происходит окисление (растворение) металла. Атомы основного металла и более активных металлических примесей (например, цинка, железа) отдают электроны и переходят в раствор в виде положительно заряженных ионов. Менее активные примеси (золото, серебро, платина) не растворяются и оседают на дно в виде анодного шлама, который является ценным сырьем.

На катоде (–) происходит восстановление. Ионы основного металла из раствора принимают электроны и осаждаются на катоде в виде чистого металла. Ионы более активных примесей остаются в растворе, так как для их восстановления требуется более высокий потенциал, чем для ионов основного металла.

В результате этого процесса происходит перенос чистого металла с анода на катод, что позволяет достичь степени чистоты 99,95–99,99%.

5. а) хлорида меди(II) с инертными электродами

Решение

В водном растворе хлорид меди(II) диссоциирует на ионы: $CuCl_2 \rightarrow Cu^{2+} + 2Cl^-$. Также в растворе присутствуют ионы из диссоциации воды: $H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-$.

На катоде (–), отрицательном электроде, происходит процесс восстановления. К нему движутся катионы $Cu^{2+}$ и $H^+$. Поскольку медь — металл, стоящий в ряду напряжений после водорода, она восстанавливается легче.

Процесс на катоде: $K(-): Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0$

На аноде (+), положительном электроде, происходит процесс окисления. К нему движутся анионы $Cl^-$ и $OH^-$. В растворах солей бескислородных кислот (кроме фторидов) на инертном аноде окисляются анионы кислотного остатка.

Процесс на аноде: $A(+): 2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2^0$

Суммарное уравнение электролиза получается сложением процессов на катоде и аноде:

$CuCl_2 \xrightarrow{электролиз} Cu + Cl_2$

Ответ: $CuCl_2 \xrightarrow{электролиз} Cu \downarrow + Cl_2 \uparrow$

б) хлорида меди(II) с медным анодом

Решение

В этом случае анод является активным (растворимым), так как он сделан из меди. Катод инертный.

На катоде (–) процесс не изменяется. Происходит восстановление ионов меди из раствора:

Процесс на катоде: $K(-): Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0$

На аноде (+) конкурируют процессы окисления анионов $Cl^-$ и $OH^-$ и окисление материала анода — меди ($Cu$). Медь как металл является значительно более легким восстановителем, чем анионы, поэтому окисляться будет сам медный анод.

Процесс на аноде: $A(+): Cu^0 - 2e^- \rightarrow Cu^{2+}$

В итоге медь с анода переходит в раствор в виде ионов $Cu^{2+}$, а ионы $Cu^{2+}$ из раствора осаждаются на катоде. Происходит перенос меди с анода на катод, а концентрация электролита ($CuCl_2$) в растворе остается практически постоянной.

Ответ: На катоде: $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu \downarrow$. На аноде: $Cu - 2e^- \rightarrow Cu^{2+}$. Суммарного химического превращения в растворе не происходит.

в) сульфата меди(II) с инертными электродами

Решение

В водном растворе сульфат меди(II) диссоциирует на ионы: $CuSO_4 \rightarrow Cu^{2+} + SO_4^{2-}$.

На катоде (–), как и в предыдущих случаях, восстанавливаются ионы меди:

Процесс на катоде: $K(-): Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0$

На аноде (+) к нему движутся анионы $SO_4^{2-}$ и $OH^-$. Сульфат-ион $SO_4^{2-}$ содержит серу в высшей степени окисления и не окисляется в водных растворах. Поэтому на аноде происходит окисление молекул воды.

Процесс на аноде: $A(+): 2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2^0 \uparrow + 4H^+$

Для составления суммарного уравнения необходимо уравнять число отданных и принятых электронов. Наименьшее общее кратное — 4. Умножаем катодный процесс на 2:

$2Cu^{2+} + 4e^- \rightarrow 2Cu^0$

Складывая ионные уравнения для катода и анода, получаем суммарное ионное уравнение:

$2Cu^{2+} + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2Cu^0 \downarrow + O_2 \uparrow + 4H^+$

В растворе остаются ионы $SO_4^{2-}$ и накапливаются ионы $H^+$, которые образуют серную кислоту $H_2SO_4$.

Ответ: $2CuSO_4 + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2Cu \downarrow + O_2 \uparrow + 2H_2SO_4$