نمونه سوالات و بحث در مورد سلول های الکترولیتی
یک سلول الکترولیتی وسیلهای است که برای تبدیل انرژی الکتریکی به یک واکنش شیمیایی غیر خودبهخودی استفاده میشود، برخلاف یک سلول ولتایی یا سلول گالوانی که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. در یک سلول الکترولیتی، از جریان الکتریکی برای ایجاد یک واکنش شیمیایی استفاده میشود که در غیر این صورت بدون انرژی الکتریکی اضافی رخ نمیدهد. این مفهوم در کاربردهای مختلف صنعتی مانند تولید فلزات خالص، الکترولیز آب برای تولید هیدروژن و اکسیژن و بسیاری موارد دیگر بسیار مهم است.
این مقاله چندین نمونه از مسائل الکترولیز را به همراه بحثهای مربوط به آنها مورد بحث قرار میدهد که میتواند به دانشآموزان کمک کند تا مفهوم سلولهای الکترولیتی را عمیقتر درک کنند.
مثال سوال ۲: الکترولیز محلول NaCl
سوال
محلول کلرید سدیم (NaCl) با استفاده از الکترودهای خنثی الکترولیز میشود. واکنشهایی که در کاتد و آند رخ میدهند و محصولات تشکیل شده در هر الکترود را بنویسید.
پمباهاسان
در یک سلول الکترولیتی، دو الکترود وجود دارد: کاتد (الکترود منفی) و آند (الکترود مثبت). الکترولیز محلول NaCl در دو مرحله رخ میدهد: واکنش در کاتد و واکنش در آند.
۱. واکنش در کاتد:
در کاتد، یونهای درگیر، یونهای Na^+ و H_2O هستند. با این حال، یونهای H_2O به دلیل پتانسیل کاهش بالاتر، راحتتر از یونهای Na^+ کاهش مییابند.
واکنشی که در کاتد رخ میدهد عبارت است از:
""
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (پتانسیل کاهش = -0.83 ولت)
""
محصول تولید شده در کاتد، گاز هیدروژن (H₂) است.
۲. واکنش در آند:
در آند، یونهای درگیر، یونهای Cl⁻ و H_2O هستند. یونهای Cl⁻ به دلیل پتانسیل اکسیداسیون پایینترشان، راحتتر از یونهای H_2O اکسید میشوند.
واکنشی که در آند رخ میدهد عبارت است از:
""
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (پتانسیل اکسیداسیون = -1.36 ولت)
""
محصول تولید شده در آند، گاز کلر (Cl₂) است.
بنابراین، در الکترولیز محلول NaCl، محصول تولید شده در کاتد گاز هیدروژن (H₂) و در آند گاز کلر (Cl₂) است.
مثال سوال ۲: الکترولیز محلول CuSO₄ با الکترودهای مسی
سوال
الکترولیز محلول مس (II) سولفات (CuSO₄) با استفاده از الکترودهای مسی انجام شد. واکنشهایی که در کاتد و آند رخ میدهند و محصولات تشکیل شده در هر الکترود را بنویسید.
پمباهاسان
در این حالت، الکترود بیاثر نیست، بلکه یک الکترود مسی است، بنابراین الکترود واکنش نشان خواهد داد.
۱. واکنش در کاتد:
در کاتد، یونهای Cu²⁺ در آند کاهش مییابند.
""
Cu²⁺(aq) + 2e- → Cu(s) (پتانسیل کاهش = +0.34 V)
""
محصول تولید شده در کاتد، مس جامد (Cu) است که روی الکترود رسوب میکند.
۲. واکنش در آند:
در آند، خود الکترود مس اکسید خواهد شد.
""
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e- (پتانسیل اکسیداسیون = -0.34 V)
""
محصول تولید شده در آند، یونهای Cu²⁺ است.
از آنجا که الکترود مس است، یونهای Cu²+ الکترولیز شده در محلول با انحلال مس در الکترود آند جبران میشوند.
مثال ۳: جرم فلز رسوب داده شده
سوال
در یک سلول الکترولیتی، 0.2 مول الکترون از محلول CuSO₄ عبور میکند. چند گرم مس در کاتد رسوب میکند؟
پمباهاسان
تعداد مولهای الکترون (F) جاری میتواند برای تعیین تعداد مولهای فلز رسوبشده استفاده شود. معادله فارادی برای رسوب فلز عبارت است از:
\[ n = \frac{Q}{Fz} \]
کجا:
– Q = مقدار بار (برحسب کولن)
– F = ثابت فارادی (96500 C/mol)
– z = تعداد الکترونها در هر مول واکنش.
در این حالت، Cu²⁺ دو الکترون جذب میکند تا به Cu تبدیل شود، بنابراین z = 2.
تعداد مولهای مس رسوبشده برابر است با:
\[ n = \frac{0.2 \text{ مول الکترون}}{2} = 0.1 \text{ مول مس} \]
وزن مس رسوب شده:
\[ \text{جرم مس} = n \times \text{آقای} \]
که در آن Mr جرم مولی مس (63.5 گرم بر مول) است.
بنابراین:
\[ \text{جرم مس} = 0.1 \times 63.5 = 6.35 \text{گرم} \]
بنابراین، 6.35 گرم مس روی کاتد رسوب خواهد کرد.
مثال سوال ۴: الکترولیز محلول KI
سوال
الکترولیز محلول KI با استفاده از الکترودهای بیاثر انجام میشود. واکنشهای رخ داده در کاتد و آند و محصولات تشکیل شده در هر الکترود را بنویسید.
پمباهاسان
۱. واکنش در کاتد:
در کاتد، یونهای درگیر، یونهای K⁺ و H_2O هستند. H_2O راحتتر از یونهای K⁺ کاهش مییابد.
""
2H2O(l) + 2e-→ H2(g) + 2OH-(aq)
""
محصول تولید شده در کاتد، گاز هیدروژن (H₂) است.
۲. واکنش در آند:
در آند، یونهای درگیر، یونهای I⁻ و H_2O هستند. یونهای I⁻ راحتتر از یونهای H_2O اکسید میشوند.
""
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
""
محصول تولید شده در آند، ید (I₂) است.
بنابراین، در الکترولیز محلول KI، محصول تولید شده در کاتد گاز هیدروژن (H₂) و در آند ید (I₂) است.
بستن
درک عمیق از اصول و کاربردهای سلولهای الکترولیتی برای دانشجویان شیمی و متخصصان در زمینههایی مانند متالورژی، تولید مواد شیمیایی و صنعت انرژی ضروری است. این مقاله چندین مثال از مسائل الکترولیز و راهحلهای آنها را برای کمک به تقویت این درک ارائه میدهد. امید است که تسلط بر این مفاهیم اساسی به حل مسائل عملی و نظری مختلفی که در دنیای واقعی با آنها مواجه میشویم، کمک کند.
