Прыклад пытанняў для абмеркавання па электрахіміі
Электрахімія — гэта раздзел хіміі, які вывучае сувязь паміж хімічнымі рэакцыямі і зменамі электрычнай энергіі. У электрахіміі існуюць два асноўныя паняцці: акісленне (вызваленне электронаў) і аднаўленне (прыняцце электронаў). Гэтыя працэсы можна назіраць у двух тыпах электрахімічных элементаў: вольтаічных элементах (гальванічныя элементы) і электралітычных элементах. Ніжэй прыведзены некаторыя прыклады задач і іх тлумачэнні, якія дапамогуць вам зразумець электрахімію.
Прыклад пытання 1: Гальтавая ячэйка
Пытанне:
Дадзены вольтавы элемент з цынкавым (Zn) і медным (Cu) электродамі, злучанымі праз салявы масток. Zn апускаюць у 1 М раствор ZnSO4, а Cu — у 1 М раствор CuSO4. Запішыце рэакцыі, якія адбываюцца на кожным электродзе, і разлічыце рознасць патэнцыялаў (ЭРС) вольтавага элемента. Стандартныя дадзеныя аб патэнцыяле электрода:
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
\[E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]
Абмеркаванне:
Першы крок — вызначыць акісляльна-аднаўленчую рэакцыю, якая адбываецца. У вольтаічным элементе спантанная акісляльна-аднаўленчая рэакцыя адбываецца там, дзе
– Цынк (Zn) падвяргаецца акісленню:
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Медзь (Cu) падвяргаецца аднаўленню:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
Поўная акісляльна-аднаўленчая рэакцыя ў вольтаічным элементе:
\[ \text{Zn (s)} + \text{Cu}^{2+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + \text{Cu (s)} \]
Далей мы разлічым розніцу патэнцыялаў ячэйкі:
\[ E_{\text{клетка}} = E^o_{\text{катод}} – E^o_{\text{анод}} \]
Дзе:
– Катод — гэта электрод, дзе адбываецца аднаўленне (Cu).
– Анод — гэта электрод, дзе адбываецца акісленне (Zn).
Так што,
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} = 1.10 \, \text{V} \]
Кесімпулан:
– Рэакцыя, якая адбываецца на анодзе (Zn):
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Рэакцыя, якая адбываецца на катодзе (Cu):
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
– Рознасць патэнцыялаў ячэйкі (ЭРС): 1.10 В
-
Прыклад пытання 2: Электралітычная ячэйка
Пытанне:
Пры электролізе раствора NaCl апішыце рэакцыі, якія адбываюцца на катодзе і анодзе, калі выкарыстоўваецца інэртны электрод, напрыклад, плаціна (Pt). Разлічыце агульны зарад, неабходны для атрымання 1 грама Cl2. (Ar Cl = 35.5)
Абмеркаванне:
Першы крок — запісаць рэакцыі, якія адбываюцца на кожным электродзе ў растворы солі NaCl.
– На катодзе (аднаўленне):
У гэтым працэсе іоны H+ з вады будуць аднаўляцца:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– На анодзе (акісленне):
Іон Cl- падвяргаецца акісленню і ператвараецца ў газападобны Cl2:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
Агульная рэакцыя:
Такім чынам, агульная рэакцыя, якая адбываецца пры электролізе раствора NaCl, выглядае наступным чынам:
\[ 2NaCl(водны) + 2H_2O(l) \rightarrow 2NaOH(водны) + H_2(г) + Cl_2(г) \]
Каб вылічыць зарад, неабходны для атрымання 1 грама Cl2, нам трэба вызначыць колькасць моляў Cl2:
\[ \text{Маса Cl}_2 = 1 \text{ грам} \]
\[ \text{ArCl}_2 = 2 \times 35.5 = 71 \text{ грам/моль} \]
\[ \text{Колькасць моляў Cl}_2 = \frac{1}{71} \text{ моль} \]
Згодна з ураўненнем рэакцыі на анодзе, 1 моль Cl2 утвараецца з 2 моляў электронаў:
\[ 2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^- \]
Іншымі словамі, для 1 моль Cl2 патрабуецца 2 моля электронаў.
Колькасць моляў электронаў:
\[ \text{Колькасць моляў электронаў} = 2 \times \frac{1}{71} = \frac{2}{71} \text{ моль} \]
Неабходны зарад можна разлічыць, выкарыстоўваючы значэнне Фарадэя (F = 96485 C/моль e^-):
\[Q = n \раз F \]
Q = (2/71 моль) множыць на 96485 C/моль
\[ Q = 2718 \ тэкст{ C} \]
Кесімпулан:
– Рэакцыя на катодзе:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– Рэакцыя на анодзе:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
– Агульны зарад, неабходны для атрымання 1 грама Cl2, складае 2718 Кл.
-
Прыклад 3: Суадносіны Нернста і нестандартныя ўмовы
Пытанне:
Разлічыце патэнцыял вольтаічнай ячэйкі, вырабленай з электродаў Ag/Ag+ з канцэнтрацыяй іонаў срэбра 0.1 М і электродаў Zn/Zn2+ з канцэнтрацыяй 0.01 М. Стандартны патэнцыял электрода роўны:
\[ E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} = +0.80 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
Абмеркаванне:
Першы крок — запісаць рэакцыі, якія адбываюцца:
– Акісленне на анодзе (Zn):
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Аднаўленне на катодзе (Ag):
\[ \text{Ag}^{+} (aq) + e^- \rightarrow \text{Ag (s)} \]
Агульная рэакцыя:
\[ \text{Zn (s)} + 2\text{Ag}^{+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2\text{Ag (s)} \]
На падставе ўраўнення Нернста:
\[ E_{\text{Cell}} = E^o_{\text{Cell}} – \left( \frac{0.0592}{n} \right) \log \left( \frac{[\text{прадукт}]}{[\text{рэагент}]} \right) \]
Дзе:
\[n = 2 \]
Спачатку вылічыце E^o_{\text{Sel}}:
\[ E^o_{\text{Sel}} = E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} – E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} \]
\[ E^o_{\text{Sel}} = 0.80 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E^o_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]
Далей разлічыце рэальны патэнцыял клеткі пры зададзенай канцэнтрацыі:
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^{+}]^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{0.01}{(0.1)^2} \right) \]
\[E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – 0.0296 \log \left( \frac{0.01}{0.01} \right) \]
\[ E_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]
Кесімпулан:
– Рэакцыі, якія адбываюцца на анодзе і катодзе, застаюцца аднолькавымі
– Патэнцыял ячэйкі пры дадзенай канцэнтрацыі складае 1.56 В
У гэтым артыкуле паказана, як вырашаць некалькі тыпаў задач у электрахіміі, у тым ліку задачы, звязаныя з вольтавымі элементамі, электралітычнымі элементамі і разлікамі з выкарыстаннем ураўнення Нернста. Глыбокае разуменне прынцыпаў акісляльна-аднаўленчых рэакцый і ўменне выкарыстоўваць электрахімічныя дадзеныя маюць важнае значэнне для паспяховага вырашэння такіх задач.
