Esimerkkikysymyksiä ja keskustelua elektrolyysikennoista
Elektrolyysikenno on laite, jota käytetään sähköenergian muuntamiseen ei-spontaaniksi kemialliseksi reaktioksi, toisin kuin volta- tai galvaaninen kenno, jotka muuttavat kemiallisen energian sähköenergiaksi. Elektrolyysikennossa sähkövirtaa käytetään pakottamaan kemiallinen reaktio, joka ei muuten tapahtuisi ilman lisäsähköenergiaa. Tämä konsepti on ratkaisevan tärkeä useissa teollisissa sovelluksissa, kuten puhtaiden metallien tuotannossa, veden elektrolyysissä vedyn ja hapen tuottamiseksi ja monissa muissa.
Tässä artikkelissa käsitellään useita esimerkkejä elektrolyysiongelmista ja niiden pohdintoja, jotka voivat auttaa opiskelijoita ymmärtämään elektrolyysikennojen käsitteen syvällisemmin.
Esimerkkikysymys 1: NaCl-liuoksen elektrolyysi
Kysymys
Natriumkloridiliuosta (NaCl) elektrolysoidaan inerttien elektrodien avulla. Kirjoita katodilla ja anodilla tapahtuvat reaktiot sekä kummallakin elektrodilla muodostuneet tuotteet.
Keskustelu
Elektrolyysikennossa on kaksi elektrodia: katodi (negatiivinen elektrodi) ja anodi (positiivinen elektrodi). NaCl-liuoksen elektrolyysi tapahtuu kahdessa vaiheessa: reaktio katodilla ja reaktio anodilla.
1. Reaktio katodilla:
Katodilla mukana olevat ionit ovat Na^+-ioneja ja H_2O-ioneja. H_2O-ionit pelkistyvät kuitenkin helpommin kuin Na^+-ionit niiden korkeamman pelkistyspotentiaalin vuoksi.
Katodilla tapahtuva reaktio on:
”`
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (pelkistyspotentiaali = -0.83 V)
”`
Katodilla syntyvä tuote on vetykaasua (H₂).
2. Reaktio anodilla:
Anodilla mukana olevat ionit ovat Cl⁻-ioneja ja H_2O-ioneja. Cl⁻-ionit hapettuvat helpommin kuin H_2O-ionit niiden alhaisemman hapetuspotentiaalin vuoksi.
Anodilla tapahtuva reaktio on:
”`
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (hapetuspotentiaali = -1.36 V)
”`
Anodilla syntyvä tuote on kloorikaasua (Cl₂).
NaCl-liuoksen elektrolyysissä katodilla syntyvä tuote on vetykaasua (H₂) ja anodilla kloorikaasua (Cl₂).
Esimerkkikysymys 2: CuSO₄-liuoksen elektrolyysi kuparielektrodeilla
Kysymys
Kupari(II)sulfaattiliuoksen (CuSO₄) elektrolyysi suoritettiin käyttämällä kuparielektrodeja. Kirjoita katodilla ja anodilla tapahtuvat reaktiot sekä kummallakin elektrodilla muodostuneet tuotteet.
Keskustelu
Tässä tapauksessa elektrodi ei ole inertti, vaan kuparielektrodi, joten elektrodi reagoi.
1. Reaktio katodilla:
Katodilla anodilla olevat Cu²⁺-ionit pelkistyvät.
”`
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (pelkistyspotentiaali = +0.34 V)
”`
Katodilla syntyvä tuote on kiinteää kuparia (Cu), joka kerrostuu elektrodille.
2. Reaktio anodilla:
Anodilla itse kuparielektrodi hapettuu.
”`
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (Hapetuspotentiaali = -0.34 V)
”`
Anodilla syntyvä tuote on Cu²⁺-ioneja.
Koska elektrodi on kuparia, liuoksessa elektrolysoituneet Cu²⁺-ionit kompensoituvat kuparin liukenemisella anodielektrodilla.
Esimerkki 3: Kerrostuneen metallin massa
Kysymys
Elektrolyysikennossa 0.2 moolia elektroneja virtaa CuSO₄-liuoksen läpi. Kuinka monta grammaa kuparia kerrostuu katodille?
Keskustelu
Virtaavien elektronimoolien (F) lukumäärää voidaan käyttää määrittämään kerrostuneiden metallimoolien lukumäärä. Faradayn yhtälö metallikerrostumille on:
\[n = \frac{Q}{Fz} \]
Jossa:
– Q = varauksen määrä (Coulombeina)
– F = Faradayn vakio (96500 C/mol)
– z = elektronien lukumäärä reaktiomoolia kohden.
Tässä tapauksessa Cu²⁺ absorboi kaksi elektronia muodostaen Cu:n, joten z = 2.
Kertyneiden kuparimoolien lukumäärä on:
\[ n = \frac{0.2 \text{ elektronimoolia}}{2} = 0.1 \text{ kuparimoolia} \]
Kertyneen kuparin paino:
\[ \text{Cu:n massa} = n \text{Mr} \]
jossa Mr on Cu:n moolimassa (63.5 g/mol)
Niin:
\[ \text{Cu:n massa} = 0.1 \times 63.5 = 6.35 \text{ grammaa} \]
Joten katodille kerrostuu 6.35 grammaa kuparia.
Esimerkkikysymys 4: KI-liuoksen elektrolyysi
Kysymys
KI-liuoksen elektrolyysi suoritetaan inerttejä elektrodeja käyttäen. Kirjoita katodilla ja anodilla tapahtuvat reaktiot sekä kullakin elektrodilla muodostuneet tuotteet.
Keskustelu
1. Reaktio katodilla:
Katodilla mukana olevat ionit ovat K⁺- ja H_2O-ioneja. H_2O pelkistyy helpommin kuin K⁺-ionit.
”`
2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH-(aq)
”`
Katodilla syntyvä tuote on vetykaasua (H₂).
2. Reaktio anodilla:
Anodilla mukana olevat ionit ovat I⁻- ja H_2O-ioneja. I⁻-ionit hapettuvat helpommin kuin H_2O-ionit.
”`
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
”`
Anodilla syntyvä tuote on jodi (I₂).
Joten KI-liuoksen elektrolyysissä katodilla syntyvä tuote on vetykaasua (H₂) ja anodilla jodia (I₂).
Sulkeminen
Elektrolyysikennojen periaatteiden ja sovellusten vankka ymmärtäminen on välttämätöntä kemian opiskelijoille ja ammattilaisille esimerkiksi metallurgian, kemianteollisuuden ja energiateollisuuden aloilla. Tässä artikkelissa esitetään useita elektrolyysiesimerkkiongelmia ja niiden ratkaisuja tämän ymmärryksen vahvistamiseksi. Toivotaan, että näiden peruskäsitteiden hallinta auttaa ratkaisemaan erilaisia käytännön ja teoreettisia ongelmia, joita esiintyy todellisessa maailmassa.
