Példakérdések és az elektrolitikus cellák megvitatása
Az elektrolizáló cella egy olyan eszköz, amely elektromos energiát alakít át nem spontán kémiai reakcióvá, ellentétben a galváncellával vagy a galvanikus cellával, amelyek kémiai energiát alakítanak át elektromos energiává. Az elektrolizáló cellában elektromos árammal olyan kémiai reakciót idéznek elő, amely egyébként nem menne végbe további elektromos energia nélkül. Ez a koncepció kulcsfontosságú számos ipari alkalmazásban, például a tiszta fémek előállításában, a víz elektrolízisében hidrogén és oxigén előállítására, és sok másban.
Ez a cikk számos elektrolízisproblémát tárgyal, valamint azok megvitatása révén segíti a diákokat az elektrolizáló cellák fogalmának mélyebb megértésében.
1. példakérdés: NaCl-oldat elektrolízise
Kérdés
Egy nátrium-klorid (NaCl) oldatot elektrolizálunk inert elektródák segítségével. Írd le a katódon és az anódon lejátszódó reakciókat, valamint az egyes elektródákon képződő termékeket.
Vita
Egy elektrolizáló cellában két elektróda található: a katód (negatív elektróda) és az anód (pozitív elektróda). A NaCl-oldat elektrolízise két szakaszban megy végbe: a reakció a katódon és a reakció az anódnál.
1. Reakció a katódon:
A katódon Na^+ ionok és H_2O ionok vesznek részt. A H_2O ionok azonban könnyebben redukálódnak, mint a Na^+ ionok, mivel nagyobb redukciós potenciáljuk van.
A katódon lejátszódó reakció a következő:
""
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Redukciós potenciál = -0.83 V)
""
A katódon keletkező termék hidrogéngáz (H₂).
2. Reakció az anódon:
Az anódon a Cl⁻ ionok és a H_2O ionok vesznek részt. A Cl⁻ ionok könnyebben oxidálódnak, mint a H_2O ionok, alacsonyabb oxidációs potenciáljuk miatt.
Az anódon lejátszódó reakció a következő:
""
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (Oxidációs potenciál = -1.36 V)
""
Az anódon keletkező termék klórgáz (Cl₂).
Tehát a NaCl-oldat elektrolízise során a katódon hidrogéngáz (H₂), az anódon pedig klórgáz (Cl₂) keletkezik.
2. példakérdés: CuSO₄ oldat elektrolízise rézelektródákkal
Kérdés
A réz(II)-szulfát (CuSO₄) oldat elektrolízisét rézelektródák segítségével végeztük. Írd le a katódon és az anódon lejátszódó reakciókat, valamint az egyes elektródákon képződő termékeket.
Vita
Ebben az esetben az elektróda nem inert, hanem egy rézelektróda, így az elektróda reagálni fog.
1. Reakció a katódon:
A katódon a Cu²⁺ ionok redukálódnak az anódnál.
""
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (redukciós potenciál = +0.34 V)
""
A katódon keletkező termék szilárd réz (Cu), amely az elektródára rakódik le.
2. Reakció az anódon:
Az anódnál maga a rézelektróda oxidálódik.
""
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (Oxidációs potenciál = -0.34 V)
""
Az anódon keletkező termék a Cu²⁺ ionok.
Mivel az elektróda réz, az oldatban elektrolizált Cu²⁺ ionokat a réz oldódása kompenzálja az anódelektródánál.
3. példa: A lerakódott fém tömege
Kérdés
Egy elektrolizáló cellában 0.2 mol elektron áramlik át egy CuSO₄ oldaton. Hány gramm réz rakódik le a katódon?
Vita
Az átáramló elektronok móljainak száma (F) felhasználható a lerakódott fém móljainak számának meghatározására. A fémlerakódás Faraday-egyenlete:
\[n = \frac{Q}{Fz} \]
Ahol:
– Q = a töltés mennyisége (Coulomb-ban)
– F = Faraday-állandó (96500 C/mol)
– z = az elektronok száma mól reakcióelegyre vonatkoztatva.
Ebben az esetben a Cu²⁺ két elektront abszorbeál, és rézzé válik, tehát z = 2.
A lerakódott réz móljainak száma:
\[ n = \frac{0.2 \text{ elektronmol}}{2} = 0.1 \text{ rézmol} \]
A lerakódott réz súlya:
\[ \text{Cu tömege} = n \text{Mr} \]
ahol Mr a Cu moláris tömege (63.5 g/mol)
Így:
\[ \text{Cu tömege} = 0.1 \szor 63.5 = 6.35 \text{ gramm} \]
Tehát 6.35 gramm réz rakódik le a katódon.
4. példakérdés: KI-oldat elektrolízise
Kérdés
A KI-oldat elektrolízisét inert elektródokon végezzük. Írd le a katódon és az anódon lejátszódó reakciókat, valamint az egyes elektródákon képződő termékeket.
Vita
1. Reakció a katódon:
A katódon K⁺ és H₂O ionok vesznek részt az érintett ionokban. A H₂O könnyebben redukálódik, mint a K⁺ ionok.
""
2H2O(l) + 2e⁻ → H2(g) + 2OH⁻(vizes)
""
A katódon keletkező termék hidrogéngáz (H₂).
2. Reakció az anódon:
Az anódnál az I⁻ és a H_2O ionok vesznek részt. Az I⁻ ionok könnyebben oxidálódnak, mint a H_2O ionok.
""
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
""
Az anódon keletkező termék a jód (I₂).
Tehát a KI-oldat elektrolízise során a katódon hidrogéngáz (H₂), az anódon pedig jód (I₂) keletkezik.
Záró
Az elektrolizáló cellák alapelveinek és alkalmazásának alapos ismerete elengedhetetlen a kémia szakos hallgatók és a kohászat, a vegyipar és az energetika területén dolgozó szakemberek számára. Ez a cikk számos elektrolízis példafeladatot és azok megoldásait mutatja be, hogy segítsen megerősíteni ezt a megértést. Remélhetőleg ezen alapfogalmak elsajátítása segít megoldani a való világban előforduló különféle gyakorlati és elméleti problémákat.
