Прыклады пытанняў. Абмеркаванне электрахімічных элементаў: разуменне асноў электрахіміі праз прыклады пытанняў.
Электрахімія — гэта раздзел хіміі, які вывучае сувязь паміж хімічнымі рэакцыямі і электрычным токам. У электрахіміі мы часта абмяркоўваем два асноўныя тыпы элементаў: гальванічныя (або вольтавыя) элементы і электралітычныя элементы. Абодва тыпы элементаў выкарыстоўваюць акісляльна-аднаўленчыя рэакцыі для выпрацоўкі або выкарыстання электрычнасці.
У гэтым артыкуле мы абмяркуем некаторыя прыклады электрахімічных элементаў, якія дапамогуць нам паглыбіць наша разуменне гэтай канцэпцыі.
1. Пытанне: Гальванічны элемент
Напрыклад, возьмем гальванічны элемент, які складаецца з цынкавага (Zn) электрода, апушчанага ў раствор ZnSO₄, і меднага (Cu) электрода, апушчанага ў раствор CuSO₄. Запішыце рэакцыі, якія адбываюцца на кожным электродзе, а таксама агульную рэакцыю ў гэтым гальванічным элементе.
Абмеркаванне:
1. Рэакцыя на цынкавым электродзе (анод, акісленне):
Рэакцыя: \(Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^- \)
Тут цынк акісляецца да іона цынку (Zn²⁺) і вызваляе два электроны.
2. Рэакцыя на медным электродзе (катодзе, аднаўленне):
Рэакцыя: \( Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s) \)
Тут іёны медзі (Cu²⁺) прымаюць два электроны і аднаўляюцца да цвёрдай медзі (Cu).
3. Агульная рэакцыя ў гальванічным элементе:
Аб'яднайце гэтыя дзве паўрэакцыі, каб атрымаць агульную рэакцыю:
\( Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \)
У цэлым можна зрабіць выснову, што ў гальванічных элементах для атрымання электрычнага току выкарыстоўваецца спантаннасць акісляльна-аднаўленчых рэакцый.
2. Пытанне: Патэнцыял клеткі
Улічваючы стандартны патэнцыял аднаўлення для Zn²⁺/Zn = -0,76 В і Cu²⁺/Cu = +0,34 В, разлічыце патэнцыял гальванічнага элемента, пра які гаварылася раней.
Абмеркаванне:
Патэнцыял ячэйкі (E°_cell) можна разлічыць з дапамогай ураўнення:
\[
E°_{ячэйка} = E°_{катод} – E°_{анод}
\]
Дзе:
– Катод — гэта электрод, на якім адбываецца аднаўленне (Cu²⁺/Cu з E° = +0.34 В)
– Анод — гэта электрод, дзе адбываецца акісленне (Zn²⁺/Zn з E° = -0.76 В)
\[
E°_{sel} = 0.34\, V – (-0.76\, V) = 0.34\, V + 0.76\, V = 1.10\, V
\]
Такім чынам, патэнцыял гальванічнага элемента складае 1,10 В.
3. Пытанне: Электралітычная ячэйка
У электралітычнай ячэйцы раствор хларыду натрыю (NaCl) рыхтуецца ўнутры электралітычнай ячэйкі з інэртнымі электродамі. Напішыце рэакцыі, якія адбываюцца на кожным электродзе.
Абмеркаванне:
У электралітычнай ячэйцы электрычнасць выкарыстоўваецца для стымулявання неспантаннай рэакцыі. У электралітычнай ячэйцы з растворам NaCl мы маем:
1. Рэакцыя на катодзе (аднаўленне):
\[
2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq)
\]
У большасці разведзеных раствораў NaCl вада будзе аднаўляцца раней за натрый, таму што патэнцыял аднаўлення вады больш станоўчы (-0.83 В), чым натрыю (-2.71 В).
2. Рэакцыя на анодзе (акісленне):
\[
2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^-
\]
На анодзе іоны хлору акісляюцца да газападобнага хлору.
3. Агульная рэакцыя:
Аб'яднайце рэакцыі на катодзе і анодзе для атрымання агульнай рэакцыі:
\[
2H_2O(l) + 2Cl^-(aq) \rightarrow H_2(g) + Cl_2(g) + 2OH^-(aq)
\]
Пры гэтым электролізе салёнай вады разам з растворам шчолачы (NaOH) утвараюцца вадарод і хлор з-за ўзаемадзеяння іонаў у растворы.
4. Пытанне: Законы электралізу Фарадэя
Колькі грамаў медзі выпадзе з раствора CuSO₄, калі праз раствор прапусціць ток сілай 2 фарада?
Абмеркаванне:
Закон Фарадэя сцвярджае, што колькасць рэчыва, якое асядае на электродзе падчас электролізу, прапарцыйная колькасці электрычнага току, які праходзіць праз яго. Масу рэчыва (m) можна вылічыць з дапамогай ураўнення:
\[
m = \frac{M \cdot Q}{n \cdot F}
\]
Дзе:
– \(m\) — маса выпадзенага рэчыва
– \(M\) — малярная маса рэчыва (для Cu, M = 63.5 г/моль)
– \(Q\) — велічыня электрычнага зарада (у кулонах, разлічваецца як \(Q = n \cdot F\), дзе n — колькасць фарадзей)
– \(n\) — колькасць моляў электронаў, якія ўдзельнічаюць у рэакцыі (для Cu²⁺/Cu, n = 2)
– \(F\) — пастаянная Фарадэя (96500 Кл/моль)
З токам 2 Фарадэя:
\[
m = 63.5 г/моль 2 96500 C}{2 96500 C/моль
\]
Спрасціце ўраўненне:
\[
m = 63.5 г
\]
У выніку гэтага электролізу было атрымана 63.5 грама медзі.
Выснова
Разуменне электрахімічных элементаў патрабуе ведаў акісляльна-аднаўленчых рэакцый, разлікаў патэнцыялу элемента і электрахімічнай стехіаметрыі. Разуменне прыкладаў задач, падобных да прыведзенай вышэй, дапамагае ўдакладніць асноўныя паняцці і іх прымяненне ў розных тыпах электрахімічных элементаў. Нарэшце, працягвайце практыкавацца ў розных задачах, каб паглыбіць гэтае разуменне, асабліва для тэарэтычнага і практычнага прымянення ў розных галінах навукі і прамысловасці.
