Cwestiynau Enghreifftiol a Thrafodaeth ar Gymwysiadau Electrogemegol
Mae electrocemeg yn gangen o gemeg sy'n astudio'r berthynas rhwng adweithiau cemegol a thrydan. Ym mywyd beunyddiol, gellir dod o hyd i electrocemeg mewn amrywiol feysydd, megis batris, synwyryddion, cyrydiad, a phrosesau electroplatio. Er mwyn deall hyn ymhellach, rydym yn cyflwyno sawl problem enghreifftiol a thrafodaeth sy'n gysylltiedig â chymwysiadau electrocemeg.
Cwestiwn Enghraifft 1: Batri Galfanig (Cell Foltaidd)
Cwestiwn:
Gwneir cell galfanig gydag electrodau Zn (sinc) a Cu (copr) wedi'u trochi mewn toddiannau ZnSO₄ a CuSO₄ yn y drefn honno. Y potensial electrod safonol ar gyfer Zn²⁺/Zn yw -0,76 V, ac ar gyfer Cu²⁺/Cu mae'n +0,34 V. Cyfrifwch foltedd y gell (cell E°) ar gyfer y gell galfanig.
Trafodaeth:
1. Penderfynwch ar yr Adwaith Hanner Cell:
– Adwaith hanner celloedd ar gyfer sinc (Zn):
\[
Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-
\]
– Adwaith hanner celloedd ar gyfer copr (Cu):
\[
Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu
\]
2. Adnabod yr Anod a'r Cathod:
– Anod (ocsidiad): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (mwy negatif, -0.76 V)
– Cathod (gostyngiad): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (mwy cadarnhaol, +0.34 V)
3. Cyfrifo Foltedd y Gell (cell E°):
– Fformiwla foltedd cell safonol:
\[
E°_{\text{cell}} = E°_{\text{catod}} – E°_{\text{anode}}
\]
Gyda:
\[
E°_{\text{catod}} = +0,34 \text{ V}
\]
\[
E°_{\text{anode}} = -0,76 \text{ V}
\]
– Felly, foltedd y gell:
\[
E°_{\text{sel}} = 0.34 \text{ V} – (-0.76 \text{ V}) = 1.10 \text{ V}
\]
Cwestiwn Enghraifft 2: Electrolysis Toddiant NaCl
Cwestiwn:
Wrth electrolysis hydoddiant NaCl (aq) gan ddefnyddio electrodau anadweithiol, pennwch y nwyon a gynhyrchir wrth yr anod a'r catod. Hefyd, ysgrifennwch yr adweithiau sy'n digwydd ym mhob electrod.
Trafodaeth:
1. Adwaith wrth yr Electrod:
– Cathod (Gostyngiad):
Yr ïonau a allai fod yn gysylltiedig yw Na⁺ a H₂O.
Yr adweithiau lleihau sy'n digwydd fel arfer yw:
\[
2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 (g) + 2OH^-
\]
Felly, y nwy a gynhyrchir wrth y catod yw \( H_2 \).
– Anod (Ocsidiad):
Yr ïonau a allai fod yn gysylltiedig yw Cl⁻ a H₂O.
Yr adweithiau ocsideiddio sy'n digwydd fel arfer yw:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
Felly, y nwy a gynhyrchir wrth yr anod yw Cl₂.
2. Ymateb Cyffredinol:
– Adwaith wrth y catod:
\[
2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 (g) + 2OH^-
\]
– Adwaith wrth yr anod:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
– Cyfanswm yr adwaith:
\[
2H_2O + 2Cl^- \rightarrow H_2 (g) + Cl_2 (g) + 2OH^-
\]
Cwestiwn Enghraifft 3: Proses Electroplatio
Cwestiwn:
Cyfrifwch fàs yr arian (Ag) a ddyddodwyd ar y catod drwy roi cerrynt trydanol o 0,5 A am 2 awr mewn hydoddiant AgNO₃. Màs molar arian yw 107,87 g/mol ac mae 1 Faraday yn gyfwerth â 96.485 C/mol e⁻.
Trafodaeth:
1. Penderfynwch y Cyfanswm Gwefr Drydanol (Q):
– Cerrynt (I) = 0.5 A
– Amser (t) = 2 awr = 2 × 3600 eiliad = 7200 eiliad
– Cyfrifir cyfanswm y gwefr drydanol (Q) gan ddefnyddio’r fformiwla:
\[
Q = I \times t
\]
- Felly:
\[
Q = 0.5 \text{ A} \times 7200 \text{ s} = 3600 \text{ C}
\]
2. Cyfrifo Nifer y Molau o Electronau (n):
– 1 mol o electronau = 96.485 C
– Nifer y molau o electronau a ddanfonwyd:
\[
n = \frac{3600 \text{ C}}{96.485 \text{ C/mol}} \tua 0.0373 \text{ mol}
\]
3. Pennu Màs yr Arian a Adneuwyd:
– Adwaith lleihau wrth y catod:
\[
Ag^+ + e^- \rightarrow Ag \text{ (s)}
\]
– Mae 1 mol o electronau yn cynhyrchu 1 mol o Ag
– Nifer y molau o Ag a adneuwyd:
\[
0.0373 \text{ mol Ag}
\]
– Gan ddefnyddio màs molar Ag (107,87 g/mol):
\[
Màs Ag = 0.0373 mol × 107.87 g/mol tua 4.02 g
\]
Felly, mae màs yr arian a adneuwyd ar y catod tua 4.02 gram.
Cwestiwn Enghraifft 4: Cyrydiad
Cwestiwn:
Disgrifiwch broses cyrydu haearn mewn amgylchedd llaith ac ysgrifennwch yr adweithiau cemegol sy'n digwydd.
Trafodaeth:
1. Cyfnodau Cyrydiad:
– Adwaith wrth yr Anod:
Mae haearn yn cael ei ocsideiddio i ïonau fferrig:
\[
Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-
\]
– Adwaith wrth y Cathod:
Mae ocsigen yn yr awyr yn adweithio â dŵr ac electronau o'r anod:
\[
O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O
\]
Mewn amgylchedd niwtral-di-asidig, yr adwaith mwyaf tebygol yw:
\[
O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-
\]
2. Ffurfiant Haearn Hydrocsid:
– Mae ïonau Fe²⁺ yn cyfuno ag ïonau OH⁻ i ffurfio Fe(OH)₂:
\[
Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2
\]
3. Ffurfiant Rhwd:
– Mae ocsideiddio pellach o Fe(OH)₂ yn cynhyrchu Fe(OH)₃ sy'n sychu i ffurfio rhwd (Fe₂O₃.nH₂O):
\[
4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3
\]
– Gall Fe(OH)₃ newid yn Fe₂O₃ drwy golli dŵr:
\[
2Fe(OH)_3 \rightarrow Fe_2O_3 + 3H_2O
\]
Mae'r broses hon yn dangos sut mae haearn yn cyrydu trwy gyfres o adweithiau electrocemegol. Mae gwybodaeth am gyrydiad yn hanfodol ar gyfer cynnal gwydnwch deunyddiau metel mewn adeiladau a seilwaith.
Drwy ddeall y cwestiynau enghreifftiol a'r trafodaethau uchod, gobeithir y gall darllenwyr gael darlun cliriach o gymhwysiad ymarferol egwyddorion electrocemegol ym mywyd beunyddiol.
