Dæmi um spurningar og umræður um rafefnafræðilegar notkunarmöguleika
Rafefnafræði er grein innan efnafræðinnar sem rannsakar tengslin milli efnahvarfa og rafmagns. Í daglegu lífi má finna rafefnafræði á ýmsum sviðum, svo sem rafhlöðum, skynjurum, tæringu og rafhúðunarferlum. Til að skilja þetta betur kynnum við nokkur dæmi um vandamál og umræður sem tengjast notkun rafefnafræði.
Dæmi um spurningu 1: Galvanísk rafhlaða (rafmagnsrafhlaða)
Spurning:
Galvanísk rafhlaða er búin til með Zn (sink) og Cu (kopar) rafskautum sem eru dýftar í ZnSO₄ og CuSO₄ lausnir, talið í sömu röð. Staðlað rafskautsspenna fyrir Zn²⁺/Zn er -0,76 V og fyrir Cu²⁺/Cu er hún +0,34 V. Reiknið spennu (E° rafhlaða) galvanískrar rafhlaðunnar.
Umræða:
1. Ákvarðið hálffrumuviðbrögðin:
– Hálffrumuviðbrögð fyrir sink (Zn):
\[
Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-
\]
– Hálffrumuviðbrögð fyrir kopar (Cu):
\[
Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu
\]
2. Að bera kennsl á anóðu og katóðu:
– Anóða (oxun): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (neikvæðara, -0.76 V)
– Bakskaut (minnkun): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (jákvæðari, +0.34 V)
3. Útreikningur á spennu frumu (E° frumu):
– Staðlað formúla fyrir spennu í frumum:
\[
E°_{\text{frumu}} = E°_{\text{katóða}} – E°_{\text{anóða}}
\]
Með:
\[
E°_{\text{katóða}} = +0,34 \text{ V}
\]
\[
E°_{\text{anóða}} = -0,76 \text{ V}
\]
– Þannig að spennan í frumunni:
\[
E°_{\text{sel}} = 0.34 \text{V} – (-0.76 \text{V}) = 1.10 \text{V}
\]
Dæmi um spurningu 2: Rafgreining á NaCl lausn
Spurning:
Í rafgreiningu á NaCl (aq) lausn með óvirkum rafskautum skal ákvarða lofttegundirnar sem myndast við anóðu og katóðu. Einnig skal skrifa niður efnahvörfin sem eiga sér stað við hvert rafskaut.
Umræða:
1. Viðbrögð við rafskautið:
– Katóða (afoxun):
Jónarnir sem gætu komið við sögu eru Na⁺ og H₂O.
Afoxunarviðbrögðin sem venjulega eiga sér stað eru:
\[
2H_2O + 2e^- \hægri ör H_2 (g) + 2OH^-
\]
Þannig að gasið sem myndast við katóðuna er \(H_2 \).
– Anóða (oxun):
Jónarnir sem gætu komið við sögu eru Cl⁻ og H₂O.
Oxunarviðbrögðin sem venjulega eiga sér stað eru:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
Þannig að gasið sem myndast við anóðuna er Cl₂).
2. Heildarviðbrögð:
– Viðbrögð við katóðu:
\[
2H_2O + 2e^- \hægri ör H_2 (g) + 2OH^-
\]
– Viðbrögð við anóðuna:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
– Heildarviðbrögð:
\[
2H_2O + 2Cl^- \hægri ör H_2 (g) + Cl_2 (g) + 2OH^-
\]
Dæmi um spurningu 3: Rafhúðunarferli
Spurning:
Reiknið út massa silfursins (Ag) sem hefur sest á bakskautið með því að beita 0,5 A rafstraumi í 2 klukkustundir í AgNO₃ lausn. Mólmassi silfurs er 107,87 g/mól og 1 Faraday jafngildir 96.485 C/mól e⁻.
Umræða:
1. Ákvarðið heildarrafhleðsluna (Q):
– Straumur (I) = 0.5 A
– Tími (t) = 2 klukkustundir = 2 × 3600 sekúndur = 7200 sekúndur
– Heildarrafhleðsla (Q) er reiknuð út með formúlunni:
\[
Q = I \times t
\]
- Svo:
\[
Q = 0.5 A x 7200 s = 3600 C
\]
2. Útreikningur á fjölda rafeinda (n):
– 1 mól af rafeindum = 96.485 C
– Fjöldi móla af rafeindum sem afhentar eru:
\[
n = \frac{3600 \text{C}}{96.485 \text{C/mól}} \u.þ.b. 0.0373 \text{mól}
\]
3. Ákvörðun á massa silfurs sem hefur verið sett í geymslu:
– Afoxunarviðbrögð við katóðu:
\[
Ag^+ + e^- \rightarrow Ag \text{ (s)}
\]
- 1 mól af rafeindum myndar 1 mól af Ag
– Fjöldi móla af Ag sem settist niður:
\[
0.0373 \text{ mól Ag}
\]
– Með því að nota mólmassa Ag (107,87 g/mól):
\[
Massi Ag = 0.0373 mól × 107.87 g/mól u.þ.b. 4.02 g
\]
Þannig er massi silfursins sem sest á katóðuna um 4.02 grömm.
Dæmispurning 4: Tæring
Spurning:
Lýstu tæringarferli járns í röku umhverfi og skrifaðu niður efnahvörf sem eiga sér stað.
Umræða:
1. Tæringarstig:
– Viðbrögð við anóðuna:
Járn oxast í járnjónir:
\[
Fe ≈ Fe² + 2e⁻
\]
– Viðbrögð við katóðuna:
Súrefni í loftinu hvarfast við vatn og rafeindir frá anóðu:
\[
O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O
\]
Í hlutlausu, ekki súru umhverfi eru líklegri viðbrögð:
\[
O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-
\]
2. Myndun járnhýdroxíðs:
– Fe²⁺ jónir sameinast OH⁻ jónum og mynda Fe(OH)₂:
\[
Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2
\]
3. Ryðmyndun:
– Frekari oxun á Fe(OH)₂ framleiðir Fe(OH)₃ sem þornar og myndar ryð (Fe₂O₃.nH₂O):
\[
4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O ∫[4Fe(OH)₃]
\]
– Fe(OH)₃ getur breyst í Fe₂O₃ með því að tapa vatni:
\[
2Fe(OH)_3 \hægriör Fe_2O_3 + 3H_2O
\]
Þetta ferli sýnir fram á hvernig járn tærist í gegnum röð rafefnafræðilegra viðbragða. Þekking á tæringu er nauðsynleg til að viðhalda endingu málmefna í byggingum og innviðum.
Með því að skilja dæmispurningarnar og umræðurnar hér að ofan er vonast til að lesendur geti fengið skýrari mynd af hagnýtri beitingu rafefnafræðilegra meginreglna í daglegu lífi.
