Exemples de preguntes i discussió sobre cel·les electrolítiques
Una cel·la electrolítica és un dispositiu que s'utilitza per convertir l'energia elèctrica en una reacció química no espontània, a diferència d'una cel·la voltaica o una cel·la galvànica, que converteixen l'energia química en energia elèctrica. En una cel·la electrolítica, s'utilitza un corrent elèctric per forçar una reacció química que d'altra manera no es produiria sense energia elèctrica addicional. Aquest concepte és crucial en diverses aplicacions industrials com ara la producció de metalls purs, l'electròlisi de l'aigua per produir hidrogen i oxigen, i moltes més.
Aquest article tractarà diversos exemples de problemes d'electròlisi juntament amb les seves discussions que poden ajudar els estudiants a comprendre el concepte de piles electrolítiques més profundament.
Exemple de pregunta 1: Electròlisi d'una solució de NaCl
Pregunta
Una solució de clorur de sodi (NaCl) s'electrolitza utilitzant elèctrodes inerts. Escriviu les reaccions que es produeixen al càtode i a l'ànode i els productes formats a cada elèctrode.
Discussió
En una cel·la electrolítica, hi ha dos elèctrodes: el càtode (elèctrode negatiu) i l'ànode (elèctrode positiu). L'electròlisi d'una solució de NaCl es produeix en dues etapes: la reacció al càtode i la reacció a l'ànode.
1. Reacció al càtode:
Al càtode, els ions implicats són ions Na^+ i ions H_2O. Tanmateix, els ions H_2O es redueixen més fàcilment que els ions Na^+ a causa del seu potencial de reducció més elevat.
La reacció que té lloc al càtode és:
“
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Potencial de reducció = -0.83 V)
“
El producte que es produeix al càtode és hidrogen gasós (H₂).
2. Reacció a l'ànode:
A l'ànode, els ions implicats són ions Cl⁻ i ions H_2O. Els ions Cl⁻ s'oxiden més fàcilment que els ions H_2O a causa del seu menor potencial d'oxidació.
La reacció que té lloc a l'ànode és:
“
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (potencial d'oxidació = -1.36 V)
“
El producte produït a l'ànode és clor gasós (Cl₂).
Així doncs, en l'electròlisi d'una solució de NaCl, el producte produït al càtode és gas hidrogen (H₂) i a l'ànode és gas clor (Cl₂).
Exemple de pregunta 2: Electròlisi d'una solució de CuSO₄ amb elèctrodes de coure
Pregunta
L'electròlisi de la solució de sulfat de coure(II) (CuSO₄) es va dur a terme utilitzant elèctrodes de coure. Escriviu les reaccions que es produeixen al càtode i a l'ànode i els productes formats a cada elèctrode.
Discussió
En aquest cas, l'elèctrode no és inert, sinó un elèctrode de coure, per la qual cosa l'elèctrode reaccionarà.
1. Reacció al càtode:
Al càtode, els ions Cu²⁺ de l'ànode es reduiran.
“
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (Potencial de reducció = +0.34 V)
“
El producte produït al càtode és coure sòlid (Cu) que es diposita sobre l'elèctrode.
2. Reacció a l'ànode:
A l'ànode, l'elèctrode de coure s'oxidarà.
“
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (Potencial d'oxidació = -0.34 V)
“
El producte produït a l'ànode són ions de Cu²⁺.
Com que l'elèctrode és de coure, els ions de Cu²⁺ electrolitzats en la solució es compensen per la dissolució de coure a l'elèctrode ànode.
Exemple 3: Massa de metall dipositada
Pregunta
En una cel·la electrolítica, 0.2 mol d'electrons flueixen a través d'una solució de CuSO₄. Quants grams de coure es dipositen al càtode?
Discussió
El nombre de mols d'electrons (F) que flueixen es pot utilitzar per determinar el nombre de mols de metall dipositats. L'equació de Faraday per a la deposició de metalls és:
\[ n = \frac{Q}{Fz} \]
On:
– Q = quantitat de càrrega (en Coulombs)
– F = constant de Faraday (96500 C/mol)
– z = nombre d'electrons per mol de reacció.
En aquest cas, el Cu²⁺ absorbeix dos electrons per convertir-se en Cu, de manera que z = 2.
El nombre de mols de coure dipositats és:
\[ n = \frac{0.2 \text{ mols d'electrons}}{2} = 0.1 \text{ mols de Cu} \]
Pes del coure dipositat:
\[ \text{massa de Cu} = n \times \text{Mr} \]
on Mr és la massa molar del Cu (63.5 g/mol)
Així doncs:
\[ \text{massa de Cu} = 0.1 \times 63.5 = 6.35 \text{ grams} \]
Així doncs, es dipositaran 6.35 grams de coure al càtode.
Exemple de pregunta 4: Electròlisi de la solució de KI
Pregunta
L'electròlisi d'una solució de KI es realitza mitjançant elèctrodes inerts. Escriviu les reaccions que tenen lloc al càtode i a l'ànode i els productes formats a cada elèctrode.
Discussió
1. Reacció al càtode:
Al càtode, els ions implicats són ions K⁺ i H⁺. L'H⁺ es redueix més fàcilment que els ions K⁺.
“
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)
“
El producte que es produeix al càtode és hidrogen gasós (H₂).
2. Reacció a l'ànode:
A l'ànode, els ions implicats són ions I⁻ i H_2O. Els ions I⁻ s'oxiden més fàcilment que els ions H_2O.
“
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
“
El producte que s'obté a l'ànode és iode (I₂).
Així doncs, en l'electròlisi de la solució de KI, el producte produït al càtode és hidrogen gasós (H₂) i a l'ànode és iode (I₂).
Tancament
Una sòlida comprensió dels principis i les aplicacions de les cel·les electrolítiques és essencial per als estudiants de química i els professionals en camps com la metal·lúrgia, la producció química i la indústria energètica. Aquest article presenta diversos exemples de problemes d'electròlisi i les seves solucions per ajudar a reforçar aquesta comprensió. S'espera que dominar aquests conceptes bàsics ajudi a resoldre diversos problemes pràctics i teòrics que es troben al món real.
