Решение задачи: Электролиз водного раствора NaNO2

Хорошо, давайте решим эту задачу.

Задание к разделу 4.4 (№ 221 – 240)

Рассмотрим катодные и анодные процессы при электролизе водного раствора нитрита натрия \( \text{NaNO}_2 \) с инертными электродами.

1. Диссоциация вещества в водном растворе

Нитрит натрия в водном растворе диссоциирует на ионы: \[ \text{NaNO}_2 \rightarrow \text{Na}^+ + \text{NO}_2^- \] Также в растворе присутствуют ионы воды: \( \text{H}^+ \), \( \text{OH}^- \).

2. Процессы на катоде (отрицательный электрод)

На катоде происходит восстановление. Из присутствующих катионов \( \text{Na}^+ \) и \( \text{H}^+ \) (из воды) восстанавливаться будет тот, у кого стандартный электродный потенциал более положительный (или менее отрицательный). Стандартные электродные потенциалы: * \( \text{Na}^+ + e^- \rightarrow \text{Na} \), \( E^0 = -2.71 \, \text{В} \) * \( 2\text{H}_2\text{O} + 2e^- \rightarrow \text{H}_2 \uparrow + 2\text{OH}^- \), \( E^0 = -0.83 \, \text{В} \) (при \( \text{pH} = 7 \)) Поскольку потенциал восстановления воды (или ионов водорода) значительно более положительный, чем потенциал восстановления ионов натрия, на катоде будет восстанавливаться вода. Уравнение катодного процесса: \[ 2\text{H}_2\text{O} + 2e^- \rightarrow \text{H}_2 \uparrow + 2\text{OH}^- \] Выделяется газообразный водород.

3. Процессы на аноде (положительный электрод)

На аноде происходит окисление. Из присутствующих анионов \( \text{NO}_2^- \) и \( \text{OH}^- \) (из воды) окисляться будет тот, у кого стандартный электродный потенциал более отрицательный (или менее положительный). Стандартные электродные потенциалы окисления (обратные потенциалам восстановления): * Окисление нитрит-иона: \( \text{NO}_2^- + \text{H}_2\text{O} - 2e^- \rightarrow \text{NO}_3^- + 2\text{H}^+ \), \( E^0 = +0.83 \, \text{В} \) * Окисление гидроксид-иона (воды): \( 2\text{H}_2\text{O} - 4e^- \rightarrow \text{O}_2 \uparrow + 4\text{H}^+ \), \( E^0 = +1.23 \, \text{В} \) Поскольку потенциал окисления нитрит-иона \( (+0.83 \, \text{В}) \) менее положительный, чем потенциал окисления воды \( (+1.23 \, \text{В}) \), в первую очередь будет окисляться нитрит-ион. Уравнение анодного процесса: \[ \text{NO}_2^- + \text{H}_2\text{O} - 2e^- \rightarrow \text{NO}_3^- + 2\text{H}^+ \] В результате этого процесса нитрит-ион превращается в нитрат-ион. Газ на аноде не выделяется.

4. Суммарное уравнение электролиза

Для составления суммарного уравнения нужно уравнять количество электронов. На катоде 2 электрона, на аноде 2 электрона, поэтому умножать ничего не нужно. Сложим катодный и анодный процессы: Катод: \( 2\text{H}_2\text{O} + 2e^- \rightarrow \text{H}_2 \uparrow + 2\text{OH}^- \) Анод: \( \text{NO}_2^- + \text{H}_2\text{O} - 2e^- \rightarrow \text{NO}_3^- + 2\text{H}^+ \) Суммарное уравнение: \( \text{NO}_2^- + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NO}_3^- + \text{H}_2 \uparrow + 2\text{OH}^- + 2\text{H}^+ \) Поскольку \( 2\text{H}^+ + 2\text{OH}^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O} \), можно сократить воду: \( \text{NO}_2^- + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NO}_3^- + \text{H}_2 \uparrow \) Если учитывать ионы натрия, которые не участвуют в процессе, но остаются в растворе: \( \text{NaNO}_2 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{электролиз}} \text{NaNO}_3 + \text{H}_2 \uparrow \)

5. Расчет массы или объема продуктов

Дано: * Сила тока \( I = 1 \, \text{А} \) * Время \( t = 1 \, \text{час} = 3600 \, \text{с} \) Используем закон Фарадея для электролиза: \[ m = \frac{M \cdot I \cdot t}{n \cdot F} \] или для газов: \[ V = \frac{V_m \cdot I \cdot t}{n \cdot F} \] где: * \( m \) – масса вещества (г) * \( V \) – объем газа (л) * \( M \) – молярная масса вещества (г/моль) * \( V_m \) – молярный объем газа при н.у. (22.4 л/моль) * \( I \) – сила тока (А) * \( t \) – время (с) * \( n \) – количество электронов, участвующих в процессе (из полуреакции) * \( F \) – постоянная Фарадея (96485 Кл/моль)

Расчет объема водорода (\( \text{H}_2 \)) на катоде

Из катодного процесса: \( 2\text{H}_2\text{O} + 2e^- \rightarrow \text{H}_2 \uparrow + 2\text{OH}^- \) Для \( \text{H}_2 \), \( n = 2 \) (2 электрона на 1 молекулу \( \text{H}_2 \)). Молярный объем \( V_m = 22.4 \, \text{л/моль} \). \[ V(\text{H}_2) = \frac{V_m \cdot I \cdot t}{n \cdot F} = \frac{22.4 \, \text{л/моль} \cdot 1 \, \text{А} \cdot 3600 \, \text{с}}{2 \cdot 96485 \, \text{Кл/моль}} \] \[ V(\text{H}_2) = \frac{80640}{192970} \approx 0.4179 \, \text{л} \]

Расчет массы нитрата натрия (\( \text{NaNO}_3 \)) или нитрита натрия (\( \text{NaNO}_2 \)), который прореагировал

На аноде происходит превращение \( \text{NO}_2^- \) в \( \text{NO}_3^- \). Из анодного процесса: \( \text{NO}_2^- + \text{H}_2\text{O} - 2e^- \rightarrow \text{NO}_3^- + 2\text{H}^+ \) Для \( \text{NO}_2^- \) (или \( \text{NaNO}_2 \)), \( n = 2 \) (2 электрона на 1 ион \( \text{NO}_2^- \)). Молярная масса \( \text{NaNO}_2 \): \( M(\text{NaNO}_2) = 22.99 + 14.01 + 2 \cdot 16.00 = 69.00 \, \text{г/моль} \). Молярная масса \( \text{NaNO}_3 \): \( M(\text{NaNO}_3) = 22.99 + 14.01 + 3 \cdot 16.00 = 85.00 \, \text{г/моль} \). Рассчитаем массу \( \text{NaNO}_2 \), которая прореагировала: \[ m(\text{NaNO}_2) = \frac{M(\text{NaNO}_2) \cdot I \cdot t}{n \cdot F} = \frac{69.00 \, \text{г/моль} \cdot 1 \, \text{А} \cdot 3600 \, \text{с}}{2 \cdot 96485 \, \text{Кл/моль}} \] \[ m(\text{NaNO}_2) = \frac{248400}{192970} \approx 1.287 \, \text{г} \] Рассчитаем массу образовавшегося \( \text{NaNO}_3 \): \[ m(\text{NaNO}_3) = \frac{M(\text{NaNO}_3) \cdot I \cdot t}{n \cdot F} = \frac{85.00 \, \text{г/моль} \cdot 1 \, \text{А} \cdot 3600 \, \text{с}}{2 \cdot 96485 \, \text{Кл/моль}} \] \[ m(\text{NaNO}_3) = \frac{306000}{192970} \approx 1.586 \, \text{г} \]

Ответы:

1. Схемы электролиза: * На катоде: \( 2\text{H}_2\text{O} + 2e^- \rightarrow \text{H}_2 \uparrow + 2\text{OH}^- \) * На аноде: \( \text{NO}_2^- + \text{H}_2\text{O} - 2e^- \rightarrow \text{NO}_3^- + 2\text{H}^+ \) * Суммарное: \( \text{NaNO}_2 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{электролиз}} \text{NaNO}_3 + \text{H}_2 \uparrow \) 2. Обоснование потенциалов: * На катоде восстанавливается вода, так как потенциал восстановления \( \text{H}_2\text{O} \) \( (-0.83 \, \text{В}) \) значительно более положительный, чем потенциал восстановления \( \text{Na}^+ \) \( (-2.71 \, \text{В}) \). * На аноде окисляется нитрит-ион \( \text{NO}_2^- \), так как его потенциал окисления \( (+0.83 \, \text{В}) \) менее положительный, чем потенциал окисления воды \( (+1.23 \, \text{В}) \). 3. Масса или объем продуктов, выделившихся на электродах: * На катоде выделится водород объемом \( \approx 0.418 \, \text{л} \). * На аноде не выделяется газ, но образуется нитрат натрия \( \text{NaNO}_3 \) массой \( \approx 1.586 \, \text{г} \). При этом прореагирует \( \text{NaNO}_2 \) массой \( \approx 1.287 \, \text{г} \).