Прыклады пытанняў па параўнанні вольтавых і электралітычных элементаў
Параўнанне вольтавых і электралітычных элементаў з'яўляецца важнай тэмай у хіміі, асабліва ў вывучэнні электрахіміі. Абедзве гэтыя прылады выкарыстоўваюцца для выпрацоўкі электрычнасці з хімічных рэакцый або для кіравання хімічнымі рэакцыямі шляхам прымянення электрычнай энергіі. У гэтым артыкуле будуць вылучаны ключавыя адрозненні паміж вольтавымі і электралітычнымі элементамі на прыкладах задач і ў дыскусіях. Мэта складаецца ў тым, каб даць поўнае і глыбокае разуменне гэтых двух тыпаў элементаў.
Гальтавая клетка
Гальванічны элемент, таксама вядомы як гальванічны элемент, — гэта тып электрахімічнага элемента, які выпрацоўвае электрычны ток у выніку спантаннай хімічнай рэакцыі. У гальванічным элементе адбываецца акісляльна-аднаўленчая рэакцыя, пры якой аднаўленне і акісленне адбываюцца на розных электродах. Каб лепш зразумець гэта, давайце разгледзім прыклад гальванiчнага элемента.
Прыклад пытання 1:
Анод вольтаічнай ячэйкі выраблены з цынку (Zn), а катод з медзі (Cu). Дапусцім, што з табліцы стандартных аднаўленчых патэнцыялаў вынікае, што стандартны аднаўленчы патэнцыял (E°) Cu²⁺/Cu складае +0,34 В, а Zn²⁺/Zn — -0,76 В. Разлічыце стандартны патэнцыял ячэйкі (E° ячэйкі) гэтай вольтаічнай ячэйкі.
Абмеркаванне:
Спачатку запішыце рэакцыі акіслення і аднаўлення ў паўэлементах.
– Анод (акісленне): Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻
– Катод (аднаўленне): Cu²⁺(водн.) + 2e⁻ → Cu(s)
Стандартны патэнцыял ячэйкі (ячэйка E°) разлічваецца з рознасці аднаўленчых патэнцыялаў катода і анода.
– E° ячэйка = E° катод – E° анод
– E° катода = +0,34 В
– E° анода = -0,76 В
Такім чынам, стандартны патэнцыял клеткі:
\[E°_{sel} = 0.34 В – (-0.76 В) \]
\[ E°_{ячэйка} = 0.34 В + 0.76 В \]
\[ E°_{sel} = 1.10 В \]
Такім чынам, стандартны патэнцыял гэтай вальтавай батарэі складае 1,10 В.
Электралітычная ячэйка
Электралітычныя элементы, з іншага боку, выкарыстоўваюць электрычную энергію для прымусовага ўзнікнення неспантанных хімічных рэакцый. У электралітычным элементе электрычны ток ад знешняй крыніцы падаецца для запуску акісляльна-аднаўленчай рэакцыі, якая не адбылася б самастойна. Давайце разгледзім прыклад электралітычнага элемента, каб зразумець яго ўласцівасці і прынцыпы працы.
Прыклад пытання 2:
У працэсе электролізу алюміній атрымліваецца з расплаўленага аксіду алюмінію (Al₂O₃). Разлічыце колькасць электрычнасці, неабходнай для атрымання 1 моля алюмінію (Al). Дапусцім, што для атрымання аднаго моля Al патрабуецца тры моля электронаў.
Абмеркаванне:
Згодна з электрахімічным ураўненнем электролізу:
\[ Al^{3+}(aq) + 3e⁻ → Al(s) \]
Вядома, што на кожны моль алюмінію патрабуецца 3 моля электронаў. Згодна з законам Фарадэя, неабходную колькасць электрычнасці (Q) можна разлічыць па формуле:
\[ Q = n \cdot F \]
Дзе:
– n — колькасць моляў электронаў
– F — пастаянная Фарадэя (96500 Кл/моль электронаў)
Каб атрымаць 1 моль Al:
\[ n = 3 \text{ моляў электронаў} \]
Такім чынам, колькасць электрычнасці (Q):
\[ Q = 3 \cdot 96500 \]
\[ Q = 289500 \ тэкст{ C} \]
Такім чынам, каб атрымаць 1 моль алюмінію, патрабуецца 289500 кулонаў электрычнасці.
Параўнанне вольтавых і электралітычных элементаў
У наступнай табліцы падсумаваны асноўныя адрозненні паміж вольтавымі і электралітычнымі элементамі:
| Аспекты | Гальванічны элемент | Электралітычны элемент |
|—————————–|—————————————|———————————–|
| Крыніцы энергіі | Хімічныя рэакцыі | Электрычная энергія |
| Тып рэакцыі | Спантанная | Неспантанная |
| Анод (-)/Катод (+) | Анод (-), Катод (+) | Анод (+), Катод (-) |
| Прызначэнне | Выпрацоўваць электрычнасць | Выклікаць хімічныя рэакцыі |
| Прымяненне | Акумулятары, паліўныя элементы | Гальванічная апрацоўка, ліццё металу, рафінаванне |
Крыніцы энергіі:
Гальванічныя элементы выпрацоўваюць электрычную энергію ў выніку спантанных хімічных рэакцый, у той час як электралітычныя элементы выкарыстоўваюць электрычную энергію з знешняй крыніцы, каб прымусіць адбывацца неспантанныя рэакцыі.
Тып рэакцыі:
У вольтаічным элементе спантанная рэакцыя прымушае электроны цячы ад анода да катода праз знешні ланцуг. У электралітычным элементе знешні электрычны ток выкарыстоўваецца для стымулявання рэакцыі, якая не адбылася б самастойна.
Анод і катод:
У вольтаічным элементе анод — гэта адмоўны электрод, а катод — дадатны. У электралітычным элементе анод — гэта дадатны электрод, а катод — адмоўны. Гэта адно з асноўных адрозненняў, якое часта бянтэжыць студэнтаў.
Мэта:
Асноўная мэта вольтаічнай ячэйкі — выпрацоўка электрычнасці, у той час як электралітычная ячэйка выкарыстоўваецца для індукавання хімічных рэакцый, такіх як рафінаванне металаў або электроліз вады.
Прыкладанні:
Гальванічныя элементы звычайна выкарыстоўваюцца ў батарэях і паліўных элементах, якія выпрацоўваюць электрычнасць для розных мэтаў. Электралітычныя элементы выкарыстоўваюцца ў прамысловых працэсах, такіх як ліццё металу, гальваніка і рафінаванне металу.
Выснова
Як вольтаічныя, так і электралітычныя элементы адыгрываюць жыццёва важную ролю ў сучасных тэхналогіях. Разуменне таго, як працуе кожны тып элементаў і як разлічваць розныя параметры з дапамогай прыкладаў задач, з'яўляецца ключом да засваення канцэпцый электрахіміі. У прыведзеным вышэй абмеркаванні мы вылучылі фундаментальныя адрозненні паміж вольтаічнымі і электралітычнымі элементамі, у тым ліку іх крыніцы энергіі, тыпы рэакцый і прыклады іх прымянення ў паўсядзённым жыцці.
Добра разумеючы гэтыя два тыпы клетак, вы будзеце лепш падрыхтаваны да вырашэння розных звязаных з імі задач на экзаменах па хіміі і прымянення іх да розных сучасных інструментаў і тэхналогій.
