Näidisküsimused ja elektrokeemiliste rakenduste arutelu
Elektrokeemia on keemia haru, mis uurib keemiliste reaktsioonide ja elektri vahelist seost. Igapäevaelus võib elektrokeemiat leida erinevates valdkondades, näiteks patareides, andurites, korrosioonis ja galvaanimisprotsessides. Selle paremaks mõistmiseks esitame mitu näidisprobleemi ja arutelu, mis on seotud elektrokeemia rakendustega.
Näidisküsimus 1: Galvaaniline aku (galvaaniline element)
Küsimus:
Galvaaniline element valmistatakse Zn (tsink) ja Cu (vask) elektroodidest, mis on kastetud vastavalt ZnSO₄ ja CuSO₄ lahustesse. Zn²⁺/Zn standardelektroodipotentsiaal on -0,76 V ja Cu²⁺/Cu puhul +0,34 V. Arvutage galvaanilise elemendi elemendi pinge (E° element).
Arutelu:
1. Määrake poolraku reaktsioon:
– Tsingi (Zn) poolraku reaktsioon:
\[
Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-
\]
– Poolraku reaktsioon vase (Cu) jaoks:
\[
Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu
\]
2. Anoodi ja katoodi tuvastamine:
– Anood (oksüdatsioon): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (negatiivsem, -0.76 V)
– Katood (reduktsioon): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (positiivsem, +0.34 V)
3. Aku pinge (E° aku) arvutamine:
– Standardse elemendi pinge valem:
\[
E°_{\text{cell}} = E°_{\text{katood}} – E°_{\text{anood}}
\]
Koos:
\[
E°_{\text{katood}} = +0,34 \text{ V}
\]
\[
E°_{\text{anode}} = -0,76 \text{ V}
\]
– Seega, elemendi pinge:
\[
E°_{\sel} = 0.34 V – (-0.76 V) = 1.10 V
\]
Näidisküsimus 2: NaCl lahuse elektrolüüs
Küsimus:
NaCl (vesiniklahuse) elektrolüüsil inertsete elektroodide abil määrake anoodil ja katoodil tekkivad gaasid. Samuti kirjutage üles igal elektroodil toimuvad reaktsioonid.
Arutelu:
1. Reaktsioon elektroodil:
– Katood (redutseerimine):
Võimalikud kaasatud ioonid on Na⁺ ja H₂O.
Tavaliselt esinevad redutseerimisreaktsioonid on järgmised:
\[
2H_2O + 2e^- \paremnool H_2 (g) + 2OH^-
\]
Seega katoodil tekkiv gaas on \(H_2 \).
– Anood (oksüdatsioon):
Võimalikud kaasatud ioonid on Cl⁻ ja H₂O.
Tavaliselt toimuvad oksüdatsioonireaktsioonid on järgmised:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
Seega anoodil tekkiv gaas on \(Cl_2 \).
2. Üldine reaktsioon:
– Reaktsioon katoodil:
\[
2H_2O + 2e^- \paremnool H_2 (g) + 2OH^-
\]
– Reaktsioon anoodil:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
– Kogureaktsioon:
\[
2H_2O + 2Cl^- \paremnool H_2 (g) + Cl_2 (g) + 2OH^-
\]
Näidisküsimus 3: Galvaanimisprotsess
Küsimus:
Arvutage katoodile sadestunud hõbeda (Ag) mass, rakendades AgNO₃ lahuses 2 tunni jooksul 0,5 A elektrivoolu. Hõbeda molaarmass on 107,87 g/mol ja 1 Faraday võrdub 96.485 C/mol e⁻-ga.
Arutelu:
1. Määrake elektrilaeng (Q):
– Voolutugevus (I) = 0.5 A
– Aeg (t) = 2 tundi = 2 × 3600 sekundit = 7200 sekundit
– Elektrilaeng (Q) arvutatakse järgmise valemi abil:
\[
Q = I korda t
\]
- Seega:
\[
Q = 0.5 \text{ A} × 7200 \text{ s} = 3600 \text{ C}
\]
2. Elektronmoolide arvu (n) arvutamine:
– 1 mool elektrone = 96.485 C
– Edastatud elektronmoolide arv:
\[
n = ∫\frac{3600 C}}{96.485 C/mol} ≤ 0.0373 mol
\]
3. Ladestunud hõbeda massi määramine:
– Redutseerimisreaktsioon katoodil:
\[
Ag^+ + e^- \rightarrow Ag \text{ (s)}
\]
– 1 mool elektrone toodab 1 mooli Ag-d
– Ladestunud Ag moolide arv:
\[
0.0373 mooli Ag-d
\]
– Kasutades Ag molaarmassi (107,87 g/mol):
\[
\text{Ag mass} = 0.0373 \text{ mol} × 107.87 \text{ g/mol} \umbes 4.02 \text{ g}
\]
Seega on katoodile sadestunud hõbeda mass umbes 4.02 grammi.
Näidisküsimus 4: Korrosioon
Küsimus:
Kirjeldage raua korrosiooniprotsessi niiskes keskkonnas ja kirjutage üles toimuvad keemilised reaktsioonid.
Arutelu:
1. Korrosiooni etapid:
– Reaktsioon anoodil:
Raud oksüdeeritakse raudioonideks:
\[
Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-
\]
– Reaktsioon katoodil:
Õhus olev hapnik reageerib vee ja anoodilt tulevate elektronidega:
\[
O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O
\]
Neutraalses mittehappelises keskkonnas on tõenäolisem reaktsioon:
\[
O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-
\]
2. Raudhüdroksiidi moodustumine:
– Fe²⁺ ioonid ühinevad OH⁻ ioonidega, moodustades Fe(OH)₂:
\[
Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2
\]
3. Rooste teke:
– Fe(OH)₂ edasine oksüdeerimine annab Fe(OH)₃, mis kuivab ja moodustab roostet (Fe₂O₃.nH₂O):
\[
4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3
\]
– Fe(OH)₃ võib vee eraldumisel muutuda Fe₂O₃-ks:
\[
2Fe(OH)_3 \paremnool Fe_2O_3 + 3H_2O
\]
See protsess demonstreerib, kuidas raud korrodeerub läbi rea elektrokeemilisi reaktsioone. Teadmised korrosioonist on olulised metallmaterjalide vastupidavuse säilitamiseks hoonetes ja infrastruktuuris.
Ülaltoodud näidisküsimuste ja arutelude mõistmise abil loodetakse, et lugejad saavad selgema pildi elektrokeemiliste põhimõtete praktilisest rakendamisest igapäevaelus.
