Dæmi um spurningar og umræður um rafgreiningarfrumur
Rafgreiningarsella er tæki sem notað er til að umbreyta raforku í ósjálfráða efnahvörf, ólíkt rafsegulrafhlöðum eða galvanískum sellum, sem umbreyta efnaorku í raforku. Í rafgreiningarsellu er rafstraumur notaður til að knýja fram efnahvörf sem annars myndu ekki eiga sér stað án viðbótar raforku. Þessi hugmynd er mikilvæg í ýmsum iðnaðarnotkun eins og framleiðslu á hreinum málmum, rafgreiningu vatns til að framleiða vetni og súrefni og margt fleira.
Í þessari grein verða fjallað um nokkur dæmi um rafgreiningarvandamál ásamt umræðum um þau sem geta hjálpað nemendum að skilja hugtakið rafgreiningarfrumur dýpra.
Dæmi um spurningu 1: Rafgreining á NaCl lausn
Spurning
Natríumklóríðlausn (NaCl) er rafgreind með óvirkum rafskautum. Skrifið efnahvörfin sem eiga sér stað við katóðu og anóðu og afurðirnar sem myndast við hvora rafskaut.
Umræða
Í rafgreiningarkeri eru tvær rafskautar: katóða (neikvæð rafskaut) og anóða (jákvæð rafskaut). Rafgreining NaCl-lausnar fer fram í tveimur stigum: viðbrögð við katóðu og viðbrögð við anóðu.
1. Viðbrögð við katóðuna:
Við katóðuna eru jónirnar sem um ræðir Na^+ jónir og H_2O jónir. Hins vegar er auðveldara að afoxa H_2O jónir en Na^+ jónir vegna meiri afoxunargetu þeirra.
Viðbrögðin sem eiga sér stað við katóðuna eru:
„“
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Afoxunarmáttur = -0.83 V)
„“
Afurðin sem myndast við katóðuna er vetnisgas (H₂).
2. Viðbrögð við anóðuna:
Við anóðuna eru jónirnar sem um ræðir Cl⁻ jónir og H_2O jónir. Cl⁻ jónir oxast auðveldlegar en H_2O jónir vegna minni oxunargetu þeirra.
Viðbrögðin sem eiga sér stað við anóðuna eru:
„“
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (Oxunargeta = -1.36 V)
„“
Afurðin sem myndast við anóðuna er klórgas (Cl₂).
Þannig að við rafgreiningu NaCl-lausnar er afurðin sem myndast við bakskautið vetnisgas (H₂) og við anóðuna klórgas (Cl₂).
Dæmi um spurningu 2: Rafgreining á CuSO₄ lausn með koparrafskautum
Spurning
Rafgreining á kopar(II)súlfat (CuSO₄) lausn var framkvæmd með koparrafskautum. Skrifið efnahvörfin sem eiga sér stað við katóðu og anóðu og afurðirnar sem myndast við hvora rafskaut.
Umræða
Í þessu tilviki er rafskautið ekki óvirkt, heldur koparrafskaut, þannig að rafskautið mun bregðast við.
1. Viðbrögð við katóðuna:
Við katóðuna munu Cu²⁺ jónirnar við anóðuna afoxast.
„“
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (minnkunarmöguleiki = +0.34 V)
„“
Afurðin sem myndast við katóðuna er fastur kopar (Cu) sem sest á rafskautið.
2. Viðbrögð við anóðuna:
Við anóðuna oxast koparrafskautið sjálft.
„“
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (Oxunargeta = -0.34 V)
„“
Efnið sem myndast við anóðuna eru Cu²⁺ jónir.
Þar sem rafskautið er úr kopar eru Cu²⁺ jónirnar sem rafleystar eru í lausninni bættar upp með upplausn kopars við anóðurafskautið.
Dæmi 3: Massi málms sem settur var niður
Spurning
Í rafgreiningarfrumu flæða 0.2 mól af rafeindum í gegnum CuSO₄ lausn. Hversu mörg grömm af kopar setjast við katóðuna?
Umræða
Fjöldi móla af rafeindum (F) sem flæða má nota til að ákvarða fjölda móla af málmi sem sest út. Jafna Faradays fyrir málmútfellingu er:
\[ n = \frac{Q}{Fz} \]
Hvar:
– Q = magn hleðslu (í Coulomb)
– F = Faradays fasti (96500 C/mól)
– z = fjöldi rafeinda á hvert mól af hvarfi.
Í þessu tilfelli gleypir Cu²⁺ tvær rafeindir og verður að Cu, þannig að z = 2.
Fjöldi móla af kopar sem settist niður er:
\[ n = \frac{0.2 \text{ mól af rafeindum}}{2} = 0.1 \text{ mól af Cu} \]
Þyngd kopars sem settur var niður:
\[ \text{massi Cu} = n \times \text{Mr} \]
þar sem Mr er mólmassi Cu (63.5 g/mól)
Svo:
\[ \text{massi Cu} = 0.1 \times 63.5 = 6.35 \text{ grömm} \]
Þannig munu 6.35 grömm af kopar setjast á katóðuna.
Dæmispurning 4: Rafgreining á KI lausn
Spurning
Rafgreining á KI-lausn er framkvæmd með óvirkum rafskautum. Skrifið efnahvörfin sem eiga sér stað við katóðu og anóðu og afurðirnar sem myndast við hvora rafskaut.
Umræða
1. Viðbrögð við katóðuna:
Við katóðuna eru jónirnar sem um ræðir K⁺ og H_2O jónir. H_2O er auðveldara að afoxa en K⁺ jónir.
„“
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)
„“
Afurðin sem myndast við katóðuna er vetnisgas (H₂).
2. Viðbrögð við anóðuna:
Við anóðuna eru jónirnar sem um ræðir I⁻ og H_2O jónir. I⁻ jónir oxast auðveldlegar en H_2O jónir.
„“
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
„“
Efnið sem myndast við anóðuna er joð (I₂).
Þannig að við rafgreiningu KI-lausnar er afurðin sem myndast við katóðuna vetnisgas (H₂) og við anóðuna joð (I₂).
Lokun
Góð skilningur á meginreglum og notkun rafgreiningarfrumna er nauðsynlegur fyrir efnafræðinema og fagfólk á sviðum eins og málmvinnslu, efnaframleiðslu og orkuiðnaði. Þessi grein kynnir nokkur dæmi um rafgreiningarvandamál og lausnir þeirra til að styrkja þennan skilning. Vonast er til að ná tökum á þessum grunnhugtökum muni hjálpa til við að leysa ýmis hagnýt og fræðileg vandamál sem koma upp í hinum raunverulega heimi.
