Прыклады пытанняў і абмеркаванне электралітычных ячэек
Электралітычны элемент — гэта прылада, якая выкарыстоўваецца для пераўтварэння электрычнай энергіі ў неспантанную хімічную рэакцыю, у адрозненне ад вольтавага элемента або гальванічнага элемента, якія пераўтвараюць хімічную энергію ў электрычную. У электралітычным элементе электрычны ток выкарыстоўваецца для стымулявання хімічнай рэакцыі, якая не адбылася б без дадатковай электрычнай энергіі. Гэтая канцэпцыя мае вырашальнае значэнне ў розных прамысловых галінах, такіх як вытворчасць чыстых металаў, электроліз вады для атрымання вадароду і кіслароду і многае іншае.
У гэтым артыкуле будуць разгледжаны некалькі прыкладаў праблем электралізу разам з іх абмеркаваннямі, якія могуць дапамагчы студэнтам глыбей зразумець канцэпцыю электралітычных ячэек.
Прыклад пытання 1: Электроліз раствора NaCl
Пертаньян
Раствор хларыду натрыю (NaCl) электралізуецца з выкарыстаннем інэртных электродаў. Запішыце рэакцыі, якія адбываюцца на катодзе і анодзе, і прадукты, якія ўтвараюцца на кожным электродзе.
Абмеркаванне
У электралітычнай ячэйцы ёсць два электроды: катод (адмоўны электрод) і анод (станоўчы электрод). Электроліз раствора NaCl адбываецца ў два этапы: рэакцыя на катодзе і рэакцыя на анодзе.
1. Рэакцыя на катодзе:
На катодзе ўдзельнічаюць іёны Na^+ і іёны H_2O. Аднак іёны H_2O лягчэй аднаўляюцца, чым іёны Na^+, з-за іх больш высокага аднаўленчага патэнцыялу.
Рэакцыя, якая адбываецца на катодзе:
"
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Патэнцыял аднаўлення = -0.83 В)
"
Прадуктам, які ўтвараецца на катодзе, з'яўляецца газападобны вадарод (H₂).
2. Рэакцыя на анодзе:
На анодзе ў працэсе ўзнікаюць іёны Cl⁻ і H_2O. Іёны Cl⁻ лягчэй акісляюцца, чым іёны H_2O, з-за іх ніжэйшага акісляльнага патэнцыялу.
Рэакцыя, якая адбываецца на анодзе:
"
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (патэнцыял акіслення = -1.36 В)
"
Прадуктам, які ўтвараецца на анодзе, з'яўляецца газападобны хлор (Cl₂).
Такім чынам, пры электролізе раствора NaCl прадуктам, які ўтвараецца на катодзе, з'яўляецца вадарод (H₂), а на анодзе — хлор (Cl₂).
Прыклад пытання 2: Электроліз раствора CuSO₄ з меднымі электродамі
Пертаньян
Электроліз раствора сульфату медзі(II) (CuSO₄) праводзілі з выкарыстаннем медных электродаў. Запішыце рэакцыі, якія адбываюцца на катодзе і анодзе, і прадукты, якія ўтвараюцца на кожным электродзе.
Абмеркаванне
У гэтым выпадку электрод не інертны, а медны, таму электрод будзе рэагаваць.
1. Рэакцыя на катодзе:
На катодзе іоны Cu²⁺ на анодзе будуць аднаўляцца.
"
Cu²⁺(водн.) + 2e⁻ → Cu(s) (Патэнцыял аднаўлення = +0.34 В)
"
Прадуктам, які ўтвараецца на катодзе, з'яўляецца цвёрдая медзь (Cu), якая асядае на электродзе.
2. Рэакцыя на анодзе:
На анодзе сам медны электрод будзе акісляцца.
"
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (патэнцыял акіслення = -0.34 В)
"
Прадуктам, які ўтвараецца на анодзе, з'яўляюцца іоны Cu²⁺.
Паколькі электрод зроблены з медзі, іоны Cu²⁺, якія электралізуюцца ў растворы, кампенсуюцца растварэннем медзі на анодным электродзе.
Прыклад 3: Маса нанесенага металу
Пертаньян
У электралітычнай ячэйцы праз раствор CuSO₄ праходзіць 0.2 моль электронаў. Колькі грамаў медзі асядае на катодзе?
Абмеркаванне
Колькасць моляў электронаў (F), якія праходзяць праз ток, можна выкарыстоўваць для вызначэння колькасці моляў асаджэння металу. Ураўненне Фарадэя для асаджэння металу мае выгляд:
\[n = \frac{Q}{Fz} \]
Дзе:
– Q = колькасць зарада (у кулонах)
– F = пастаянная Фарадэя (96500 Кл/моль)
– z = колькасць электронаў на моль рэакцыі.
У гэтым выпадку Cu²⁺ паглынае два электроны і ператвараецца ў Cu, таму z = 2.
Колькасць моляў асадкавай медзі роўная:
\[ n = \frac{0.2 \text{ моляў электронаў}}{2} = 0.1 \text{ моляў Cu} \]
Вага нанесенай медзі:
\[ \text{маса Cu} = n \times \text{Mr} \]
дзе Mr — малярная маса Cu (63.5 г/моль)
Такім чынам:
\[ \text{маса Cu} = 0.1 \times 63.5 = 6.35 \text{грама} \]
Такім чынам, на катодзе асядзе 6.35 грама медзі.
Прыклад пытання 4: Электроліз раствора KI
Пертаньян
Электроліз раствора KI праводзіцца з выкарыстаннем інэртных электродаў. Запішыце рэакцыі, якія адбываюцца на катодзе і анодзе, і прадукты, якія ўтвараюцца на кожным электродзе.
Абмеркаванне
1. Рэакцыя на катодзе:
На катодзе ў працэсе ўдзельнічаюць іёны K⁺ і H⁺O. H⁺O лягчэй аднаўляецца, чым іёны K⁺.
"
2H₂O(л) + 2e⁻ → H₂(г) + 2OH⁻(водны)
"
Прадуктам, які ўтвараецца на катодзе, з'яўляецца газападобны вадарод (H₂).
2. Рэакцыя на анодзе:
На анодзе ўдзельнічаюць іёны I⁻ і H_2O. Іёны I⁻ лягчэй акісляюцца, чым іёны H_2O.
"
2I⁻(водн.) → I₂(с.) + 2e⁻
"
Прадуктам, які ўтвараецца на анодзе, з'яўляецца ёд (I₂).
Такім чынам, пры электролізе раствора KI прадуктам, які ўтвараецца на катодзе, з'яўляецца вадарод (H₂), а на анодзе — ёд (I₂).
Закрыццё
Глыбокае разуменне прынцыпаў і прымянення электралітычных ячэек мае важнае значэнне для студэнтаў-хімікаў і спецыялістаў у такіх галінах, як металургія, хімічная вытворчасць і энергетычная прамысловасць. У гэтым артыкуле прадстаўлены некалькі прыкладаў задач па электралізе і іх рашэнні, каб дапамагчы замацаваць гэтае разуменне. Спадзяемся, што засваенне гэтых асноўных паняццяў дапаможа вырашыць розныя практычныя і тэарэтычныя праблемы, якія ўзнікаюць у рэальным свеце.
