Cwestiynau Enghreifftiol a Thrafodaeth am Gelloedd Electrolytig
Mae cell electrolytig yn ddyfais a ddefnyddir i drosi ynni trydanol yn adwaith cemegol nad yw'n ddigymell, yn wahanol i gell foltäig neu gell galfanig, sy'n trosi ynni cemegol yn ynni trydanol. Mewn cell electrolytig, defnyddir cerrynt trydanol i orfodi adwaith cemegol na fyddai'n digwydd fel arall heb ynni trydanol ychwanegol. Mae'r cysyniad hwn yn hanfodol mewn amrywiol gymwysiadau diwydiannol megis cynhyrchu metelau pur, electrolysis dŵr i gynhyrchu hydrogen ac ocsigen, a llawer mwy.
Bydd yr erthygl hon yn trafod sawl enghraifft o broblemau electrolysis ynghyd â'u trafodaethau a all helpu myfyrwyr i ddeall y cysyniad o gelloedd electrolytig yn ddyfnach.
Cwestiwn Enghraifft 1: Electrolysis Toddiant NaCl
Cwestiwn
Mae hydoddiant sodiwm clorid (NaCl) yn cael ei electrolysu gan ddefnyddio electrodau anadweithiol. Ysgrifennwch yr adweithiau sy'n digwydd wrth y catod a'r anod a'r cynhyrchion a ffurfir ym mhob electrod.
Trafodaeth
Mewn cell electrolytig, mae dau electrod: y catod (electrod negatif) a'r anod (electrod positif). Mae electrolysis hydoddiant NaCl yn digwydd mewn dau gam: yr adwaith wrth y catod a'r adwaith wrth yr anod.
1. Adwaith wrth y Cathod:
Wrth y catod, yr ïonau dan sylw yw ïonau Na^+ ac ïonau H_2O. Fodd bynnag, mae ïonau H_2O yn cael eu lleihau'n haws nag ïonau Na^+ oherwydd eu potensial lleihau uwch.
Yr adwaith sy'n digwydd wrth y catod yw:
“`
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Potensial lleihau = -0.83 V)
“`
Y cynnyrch a gynhyrchir wrth y catod yw nwy hydrogen (H₂).
2. Adwaith wrth yr Anod:
Wrth yr anod, yr ïonau dan sylw yw ïonau Cl⁻ ac ïonau H_2O. Mae ïonau Cl⁻ yn cael eu ocsideiddio'n haws nag ïonau H_2O oherwydd eu potensial ocsideiddio is.
Yr adwaith sy'n digwydd wrth yr anod yw:
“`
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (Potensial ocsideiddio = -1.36 V)
“`
Y cynnyrch a gynhyrchir wrth yr anod yw nwy clorin (Cl₂).
Felly, yn electrolysis hydoddiant NaCl, y cynnyrch a gynhyrchir wrth y catod yw nwy hydrogen (H₂) ac wrth yr anod mae nwy clorin (Cl₂).
Cwestiwn Enghraifft 2: Electrolysis Toddiant CuSO₄ gydag Electrodau Copr
Cwestiwn
Cynhaliwyd electrolysis o doddiant copr(II) sylffad (CuSO₄) gan ddefnyddio electrodau copr. Ysgrifennwch yr adweithiau sy'n digwydd wrth y catod a'r anod a'r cynhyrchion a ffurfiwyd wrth bob electrod.
Trafodaeth
Yn yr achos hwn, nid yw'r electrod yn anadweithiol, ond yn electrod copr, felly bydd yr electrod yn adweithio.
1. Adwaith wrth y Cathod:
Wrth y catod, bydd yr ïonau Cu²⁺ wrth yr anod wedi'u lleihau.
“`
Cu²⁺(d) + 2e⁻ → Cu(s) (Potensial lleihau = +0.34 V)
“`
Y cynnyrch a gynhyrchir wrth y catod yw copr solet (Cu) sy'n cael ei ddyddodi ar yr electrod.
2. Adwaith wrth yr Anod:
Wrth yr anod, bydd yr electrod copr ei hun yn cael ei ocsideiddio.
“`
Cu(s) → Cu²⁺(d) + 2e⁻ (Potensial ocsidiad = -0.34 V)
“`
Y cynnyrch a gynhyrchir wrth yr anod yw ïonau Cu²⁺.
Gan fod yr electrod wedi'i wneud o gopr, mae'r ïonau Cu²⁺ sydd wedi'u electrolysu yn yr hydoddiant yn cael eu digolledu gan ddiddymiad copr wrth electrod yr anod.
Enghraifft 3: Màs y Metel a Adneuwyd
Cwestiwn
Mewn cell electrolytig, mae 0.2 mol o electronau yn llifo trwy doddiant CuSO₄. Faint o gramau o gopr sy'n cael eu dyddodi yn y catod?
Trafodaeth
Gellir defnyddio nifer y molau o electronau (F) sy'n llifo i bennu nifer y molau o fetel a adneuwyd. Hafaliad Faraday ar gyfer dyddodiad metel yw:
\[ n = \frac{Q}{Fz} \]
Ble:
– Q = swm y gwefr (mewn Coulombs)
– F = cysonyn Faraday (96500 C/mol)
– z = nifer yr electronau fesul mol o adwaith.
Yn yr achos hwn, mae Cu²⁺ yn amsugno dau electron i ddod yn Cu, felly z = 2.
Nifer y molau o gopr a adneuwyd yw:
\[ n = \frac{0.2 \text{ molau o electronau}}{2} = 0.1 \text{ molau o Cu} \]
Pwysau copr a adneuwyd:
\[ \text{màs Cu} = n \times \text{Mr} \]
lle mae Mr yn fàs molar Cu (63.5 g/mol)
Felly:
\[ \text{màs Cu} = 0.1 \times 63.5 = 6.35 \text{ gramau} \]
Felly, bydd 6.35 gram o gopr yn cael ei ddyddodi ar y catod.
Cwestiwn Enghraifft 4: Electrolysis Toddiant KI
Cwestiwn
Mae electrolysis o doddiant KI yn cael ei berfformio gan ddefnyddio electrodau anadweithiol. Ysgrifennwch yr adweithiau sy'n digwydd wrth y catod a'r anod a'r cynhyrchion a ffurfiwyd wrth bob electrod.
Trafodaeth
1. Adwaith wrth y Cathod:
Wrth y catod, yr ïonau dan sylw yw ïonau K⁺ a H_2O. Mae H_2O yn cael ei leihau'n haws nag ïonau K⁺.
“`
2H₂O(h) + 2e⁻ → H₂(n) + 2OH⁻(d)
“`
Y cynnyrch a gynhyrchir wrth y catod yw nwy hydrogen (H₂).
2. Adwaith wrth yr Anod:
Wrth yr anod, yr ïonau dan sylw yw ïonau I⁻ a H_2O. Mae ïonau I⁻ yn cael eu ocsideiddio'n haws nag ïonau H_2O.
“`
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
“`
Y cynnyrch a gynhyrchir wrth yr anod yw ïodin (I₂).
Felly, yn electrolysis hydoddiant KI, y cynnyrch a gynhyrchir wrth y catod yw nwy hydrogen (H₂) ac ïodin (I₂) wrth yr anod.
Cau
Mae dealltwriaeth gadarn o egwyddorion a chymwysiadau celloedd electrolytig yn hanfodol i fyfyrwyr cemeg a gweithwyr proffesiynol mewn meysydd fel meteleg, cynhyrchu cemegol, a'r diwydiant ynni. Mae'r erthygl hon yn cyflwyno nifer o broblemau enghreifftiol electrolysis a'u datrysiadau i helpu i atgyfnerthu'r ddealltwriaeth hon. Gobeithir y bydd meistroli'r cysyniadau sylfaenol hyn yn helpu i ddatrys amrywiol broblemau ymarferol a damcaniaethol a wynebir yn y byd go iawn.
