Voorbeeldvrae en bespreking van elektrolitiese selle
'n Elektrolitiese sel is 'n toestel wat gebruik word om elektriese energie in 'n nie-spontane chemiese reaksie om te skakel, anders as 'n voltaïese sel of galvaniese sel, wat chemiese energie in elektriese energie omskakel. In 'n elektrolitiese sel word 'n elektriese stroom gebruik om 'n chemiese reaksie af te dwing wat andersins nie sonder bykomende elektriese energie sou plaasvind nie. Hierdie konsep is van kardinale belang in verskeie industriële toepassings soos die produksie van suiwer metale, die elektrolise van water om waterstof en suurstof te produseer, en vele meer.
Hierdie artikel sal verskeie voorbeelde van elektroliseprobleme bespreek, tesame met hul besprekings wat studente kan help om die konsep van elektrolitiese selle dieper te verstaan.
Voorbeeldvraag 1: Elektrolise van NaCl-oplossing
Vraag
'n Natriumchloried (NaCl) oplossing word geëlektroliseer met behulp van inerte elektrodes. Skryf die reaksies neer wat by die katode en anode plaasvind en die produkte wat by elke elektrode gevorm word.
Bespreking
In 'n elektrolitiese sel is daar twee elektrodes: die katode (negatiewe elektrode) en die anode (positiewe elektrode). Die elektrolise van 'n NaCl-oplossing vind in twee stadiums plaas: die reaksie by die katode en die reaksie by die anode.
1. Reaksie by die katode:
By die katode is die betrokke ione Na^+ ione en H_2O ione. H_2O ione word egter makliker gereduseer as Na^+ ione as gevolg van hul hoër reduksiepotensiaal.
Die reaksie wat by die katode plaasvind, is:
''
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Reduksiepotensiaal = -0.83 V)
''
Die produk wat by die katode geproduseer word, is waterstofgas (H₂).
2. Reaksie by die anode:
By die anode is die betrokke ione Cl⁻-ione en H_2O-ione. Cl⁻-ione word makliker geoksideer as H_2O-ione as gevolg van hul laer oksidasiepotensiaal.
Die reaksie wat by die anode plaasvind, is:
''
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (Oksidasiepotensiaal = -1.36 V)
''
Die produk wat by die anode geproduseer word, is chloorgas (Cl₂).
So, in die elektrolise van NaCl-oplossing, is die produk wat by die katode geproduseer word waterstofgas (H₂) en by die anode chloorgas (Cl₂).
Voorbeeldvraag 2: Elektrolise van CuSO₄-oplossing met koperelektrodes
Vraag
Elektrolise van koper(II)sulfaat (CuSO₄)-oplossing is uitgevoer met behulp van koperelektrodes. Skryf die reaksies neer wat by die katode en anode plaasvind en die produkte wat by elke elektrode gevorm word.
Bespreking
In hierdie geval is die elektrode nie inert nie, maar 'n koperelektrode, dus sal die elektrode reageer.
1. Reaksie by die katode:
By die katode sal die Cu²⁺-ione by die anode gereduseer word.
''
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (Reduksiepotensiaal = +0.34 V)
''
Die produk wat by die katode geproduseer word, is soliede koper (Cu) wat op die elektrode neergelê word.
2. Reaksie by die anode:
By die anode sal die koperelektrode self geoksideer word.
''
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (Oksidasiepotensiaal = -0.34 V)
''
Die produk wat by die anode geproduseer word, is Cu²⁺-ione.
Omdat die elektrode koper is, word die Cu²⁺-ione wat in die oplossing elektroliseer, gekompenseer deur die oplossing van koper by die anode-elektrode.
Voorbeeld 3: Massa van Metaal wat Gedeponeer is
Vraag
In 'n elektrolitiese sel vloei 0.2 mol elektrone deur 'n CuSO₄-oplossing. Hoeveel gram koper word by die katode neergelê?
Bespreking
Die aantal mol elektrone (F) wat vloei, kan gebruik word om die aantal mol metaal wat neergelê is, te bepaal. Faraday se vergelyking vir metaalneerslag is:
\[ n = \frac{Q}{Fz} \]
Waar:
– Q = hoeveelheid lading (in Coulombs)
– F = Faraday se konstante (96500 C/mol)
– z = aantal elektrone per mol reaksie.
In hierdie geval absorbeer Cu²⁺ twee elektrone om Cu te word, dus z = 2.
Die aantal mol koper wat neergesit word, is:
[n = \frac{0.2 \tex{ mol elektrone}}{2} = 0.1 \tex{ mol Cu} \]
Gewig van koper neergesit:
\[ \tex{massa van Cu} = n \times \tex{Mr} \]
waar Mr die molêre massa van Cu is (63.5 g/mol)
So:
\[ \tex{massa van Cu} = 0.1 \times 63.5 = 6.35 \tex{ gram} \]
So, 6.35 gram koper sal op die katode neergelê word.
Voorbeeldvraag 4: Elektrolise van KI-oplossing
Vraag
Elektrolise van 'n KI-oplossing word uitgevoer met behulp van inerte elektrodes. Skryf die reaksies neer wat by die katode en anode plaasvind en die produkte wat by elke elektrode gevorm word.
Bespreking
1. Reaksie by die katode:
By die katode is die betrokke ione K⁺- en H_2O-ione. H_2O word makliker gereduseer as K⁺-ione.
''
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)
''
Die produk wat by die katode geproduseer word, is waterstofgas (H₂).
2. Reaksie by die anode:
By die anode is die betrokke ione I⁻- en H_2O-ione. I⁻-ione word makliker geoksideer as H_2O-ione.
''
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
''
Die produk wat by die anode geproduseer word, is jodium (I₂).
So, in die elektrolise van KI-oplossing, is die produk wat by die katode geproduseer word waterstofgas (H₂) en by die anode jodium (I₂).
Sluiting
'n Deeglike begrip van die beginsels en toepassings van elektrolitiese selle is noodsaaklik vir chemiestudente en professionele persone in velde soos metallurgie, chemiese produksie en die energiebedryf. Hierdie artikel bied verskeie voorbeelde van elektroliseprobleme en hul oplossings om hierdie begrip te versterk. Daar word gehoop dat die bemeestering van hierdie basiese konsepte sal help om verskeie praktiese en teoretiese probleme wat in die werklike wêreld teëgekom word, op te los.
