Primjeri pitanja i diskusija o elektrolitskim ćelijama
Elektrolitička ćelija je uređaj koji se koristi za pretvaranje električne energije u nespontanu hemijsku reakciju, za razliku od galvanske ćelije ili voltaične ćelije, koje pretvaraju hemijsku energiju u električnu energiju. U elektrolitičkoj ćeliji, električna struja se koristi za poticanje hemijske reakcije koja se inače ne bi dogodila bez dodatne električne energije. Ovaj koncept je ključan u raznim industrijskim primjenama kao što su proizvodnja čistih metala, elektroliza vode za proizvodnju vodonika i kiseonika i mnoge druge.
Ovaj članak će razmotriti nekoliko primjera problema elektrolize, zajedno s njihovim raspravama koje mogu pomoći studentima da dublje razumiju koncept elektrolitičkih ćelija.
Primjer pitanja 1: Elektroliza rastvora NaCl
Pitanje
Rastvor natrijum hlorida (NaCl) se elektrolizira pomoću inertnih elektroda. Opišite reakcije koje se odvijaju na katodi i anodi i produkte koji nastaju na svakoj elektrodi.
Diskusija
U elektrolitičkoj ćeliji postoje dvije elektrode: katoda (negativna elektroda) i anoda (pozitivna elektroda). Elektroliza rastvora NaCl odvija se u dvije faze: reakcija na katodi i reakcija na anodi.
1. Reakcija na katodi:
Na katodi, uključeni ioni su Na^+ i H_2O ioni. Međutim, H_2O ioni se lakše reduciraju od Na^+ iona zbog njihovog većeg redukcijskog potencijala.
Reakcija koja se odvija na katodi je:
"`
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Redukcijski potencijal = -0.83 V)
"`
Produkt koji se proizvodi na katodi je plinoviti vodik (H₂).
2. Reakcija na anodi:
Na anodi, uključeni ioni su Cl⁻ ioni i H_2O ioni. Cl⁻ ioni se lakše oksidiraju od H_2O iona zbog njihovog nižeg oksidacijskog potencijala.
Reakcija koja se odvija na anodi je:
"`
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (Oksidacijski potencijal = -1.36 V)
"`
Proizvod koji se proizvodi na anodi je hlorni gas (Cl₂).
Dakle, pri elektrolizi rastvora NaCl, proizvod koji se proizvodi na katodi je gasoviti vodonik (H₂), a na anodi gasoviti hlor (Cl₂).
Primjer pitanja 2: Elektroliza rastvora CuSO₄ s bakrenim elektrodama
Pitanje
Elektroliza rastvora bakar(II) sulfata (CuSO₄) provedena je korištenjem bakarnih elektroda. Opišite reakcije koje se odvijaju na katodi i anodi i produkte koji nastaju na svakoj elektrodi.
Diskusija
U ovom slučaju, elektroda nije inertna, već bakrena elektroda, tako da će elektroda reagovati.
1. Reakcija na katodi:
Na katodi, Cu²⁺ ioni na anodi će biti reducirani.
"`
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (redukcioni potencijal = +0.34 V)
"`
Proizvod koji se proizvodi na katodi je čvrsti bakar (Cu) koji se taloži na elektrodi.
2. Reakcija na anodi:
Na anodi će se sama bakrena elektroda oksidirati.
"`
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (Oksidacijski potencijal = -0.34 V)
"`
Produkt koji se proizvodi na anodi su Cu²⁺ ioni.
Budući da je elektroda od bakra, Cu²⁺ ioni elektrolizirani u rastvoru kompenziraju se rastvaranjem bakra na anodnoj elektrodi.
Primjer 3: Masa deponovanog metala
Pitanje
U elektrolitičkoj ćeliji, 0.2 mola elektrona prolazi kroz rastvor CuSO₄. Koliko grama bakra se taloži na katodi?
Diskusija
Broj molova elektrona (F) koji teku može se koristiti za određivanje broja molova deponovanog metala. Faradejeva jednačina za depoziciju metala je:
\[n = \frac{Q}{Fz} \]
Gdje:
– Q = količina naelektrisanja (u kulonima)
– F = Faradejeva konstanta (96500 C/mol)
– z = broj elektrona po molu reakcije.
U ovom slučaju, Cu²⁺ apsorbira dva elektrona i postaje Cu, tako da je z = 2.
Broj molova deponovanog bakra je:
\[ n = \frac{0.2 \text{ molova elektrona}}{2} = 0.1 \text{ molova Cu} \]
Težina deponovanog bakra:
\[ \text{masa Cu} = n \puta \text{Mr} \]
gdje je Mr molarna masa Cu (63.5 g/mol)
Dakle:
\[ \text{masa Cu} = 0.1 \puta 63.5 = 6.35 \text{ grama} \]
Dakle, na katodi će se taložiti 6.35 grama bakra.
Primjer pitanja 4: Elektroliza KI rastvora
Pitanje
Elektroliza KI rastvora se izvodi korištenjem inertnih elektroda. Opišite reakcije koje se odvijaju na katodi i anodi i produkte koji nastaju na svakoj elektrodi.
Diskusija
1. Reakcija na katodi:
Na katodi, uključeni ioni su K⁺ i H⁺O ioni. H⁺O se lakše reducira od K⁺ iona.
"`
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)
"`
Produkt koji se proizvodi na katodi je plinoviti vodik (H₂).
2. Reakcija na anodi:
Na anodi, uključeni ioni su I⁻ i H_2O ioni. I⁻ ioni se lakše oksidiraju od H_2O iona.
"`
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
"`
Produkt koji se proizvodi na anodi je jod (I₂).
Dakle, pri elektrolizi rastvora KI, produkt koji se proizvodi na katodi je gasoviti vodonik (H₂), a na anodi jod (I₂).
Zatvaranje
Dobro razumijevanje principa i primjene elektrolitičkih ćelija je neophodno za studente hemije i stručnjake u oblastima kao što su metalurgija, hemijska proizvodnja i energetska industrija. Ovaj članak predstavlja nekoliko primjera problema elektrolize i njihova rješenja kako bi se učvrstilo ovo razumijevanje. Nadamo se da će savladavanje ovih osnovnih koncepata pomoći u rješavanju različitih praktičnih i teorijskih problema s kojima se susrećemo u stvarnom svijetu.
