Příklady otázek Diskuse o elektrochemických článcích: Pochopení základů elektrochemie prostřednictvím příkladů otázek
Elektrochemie je obor chemie, který studuje vztah mezi chemickými reakcemi a elektrickým proudem. V elektrochemii se často hovoří o dvou hlavních typech článků: galvanických (nebo voltaických) článcích a elektrolytických článcích. Oba typy článků využívají redoxní reakce k výrobě nebo využití elektřiny.
V tomto článku probereme několik příkladů elektrochemických článků, které nám pomohou prohloubit naše pochopení tohoto konceptu.
1. Otázka: Galvanický článek
Vezměme si například galvanický článek sestávající ze zinkové (Zn) elektrody ponořené v roztoku ZnSO₄ a měděné (Cu) elektrody ponořené v roztoku CuSO₄. Zapište reakce, které probíhají na každé elektrodě, a také celkovou reakci v tomto galvanickém článku.
Diskuse:
1. Reakce na zinkové elektrodě (anoda, oxidace):
Reakce: \(Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^- \)
Zde se zinek oxiduje na zinkový iont (Zn²⁺) a uvolňuje dva elektrony.
2. Reakce na měděné elektrodě (katoda, redukce):
Reakce: \( Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s) \)
Zde ionty mědi (Cu²⁺) přijímají dva elektrony a redukují se na pevnou měď (Cu).
3. Celková reakce v galvanickém článku:
Spojte tyto dvě poloreakce a získejte celkovou reakci:
\( Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \)
Obecně lze konstatovat, že v galvanických článcích se k výrobě elektrického proudu využívá spontánnost redoxních reakcí.
2. Otázka: Buněčný potenciál
Vzhledem ke standardnímu redukčnímu potenciálu pro Zn²⁺/Zn = -0,76 V a Cu²⁺/Cu = +0,34 V. Vypočítejte potenciál galvanického článku, o kterém jsme diskutovali dříve.
Diskuse:
Potenciál buňky (E°_cell) lze vypočítat pomocí rovnice:
\[
E°_{cell} = E°_{katoda} – E°_{anoda}
\]
Dimana:
– Katoda je elektroda, kde dochází k redukci (Cu²⁺/Cu s E° = +0.34 V)
– Anoda je elektroda, kde dochází k oxidaci (Zn²⁺/Zn s E° = -0.76 V)
\[
E°_{sel} = 0.34\, V – (-0.76\, V) = 0.34\, V + 0.76\, V = 1.10\, V
\]
Potenciál galvanického článku je tedy 1,10 V.
3. Otázka: Elektrolytický článek
V elektrolytickém článku se uvnitř elektrolytického článku s inertními elektrodami připravuje roztok chloridu sodného (NaCl). Popište reakce, které probíhají na každé elektrodě.
Diskuse:
V elektrolytickém článku se elektřina používá k řízení nespontánní reakce. V elektrolytickém článku s roztokem NaCl máme:
1. Reakce na katodě (redukce):
\[
2H_2O(l) + 2e^- \vpravo H_2(g) + 2OH^-(aq)
\]
Ve většině zředěných roztoků NaCl se voda redukuje dříve než sodík, protože redukční potenciál vody je kladnější (-0.83 V) než sodíku (-2.71 V).
2. Reakce na anodě (oxidace):
\[
2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^-
\]
Na anodě se chloridové ionty oxidují na plynný chlor.
3. Celková reakce:
Spojte reakce na katodě a anodě pro celkovou reakci:
\[
2H_2O(l) + 2Cl^-(aq) \pravá šipka H_2(g) + Cl_2(g) + 2OH^-(aq)
\]
Při této elektrolýze slané vody se spolu s roztokem báze (NaOH) vytváří plynný vodík a plynný chlor v důsledku interakce iontů v roztoku.
4. Otázka: Faradayovy zákony elektrolýzy
Kolik gramů mědi se vysráží z roztoku CuSO₄, pokud roztokem prochází proud 2 faradayů?
Diskuse:
Faradayův zákon říká, že množství látky usazené na elektrodě během elektrolýzy je úměrné množství elektrického proudu, který jí projde. Hmotnost látky (m) lze vypočítat pomocí rovnice:
\[
m = \frac{M \cdot Q}{n \cdot F}
\]
Dimana:
– \(m\) je hmotnost usazené látky
– \(M\) je molární hmotnost látky (pro Cu, M = 63.5 g/mol)
– \(Q\) je množství elektrického náboje (v coulombech, vypočteno jako \(Q = n \cdot F\), kde n je počet faradayů)
– \(n\) je počet molů elektronů zapojených do reakce (pro Cu²⁺/Cu, n = 2)
– \(F\) je Faradayova konstanta (96500 C/mol)
S 2 faradayovým proudem:
\[
m = \frac{63.5\, g/mol \cdot 2 \cdot 96500\, C}{2 \cdot 96500\, C/mol}
\]
Zjednodušte rovnici:
\[
m = 63.5 g
\]
Výsledkem bylo, že touto elektrolýzou se uvolnilo 63.5 gramu mědi.
Závěr
Pochopení elektrochemických článků vyžaduje znalost redoxních reakcí, výpočtů článkového potenciálu a elektrochemické stechiometrie. Pochopení příkladů úloh, jako je ten výše uvedený, je užitečné pro objasnění základních pojmů a jejich aplikace v různých typech elektrochemických článků. Nakonec pokračujte v procvičování různých úloh, abyste toto porozumění prohloubili, zejména pro teoretické i praktické aplikace v různých oblastech vědy a průmyslu.
