שאלות לדוגמה הדנות ביישומים אלקטרוכימיים

שאלות לדוגמה ודיון ביישומים אלקטרוכימיים

אלקטרוכימיה היא ענף בכימיה החוקר את הקשר בין תגובות כימיות לחשמל. בחיי היומיום, אלקטרוכימיה ניתן למצוא בתחומים שונים, כגון סוללות, חיישנים, קורוזיה ותהליכי ציפוי אלקטרוליטי. כדי להבין זאת לעומק, אנו מציגים מספר דוגמאות לבעיות ודיונים הקשורים ליישומי אלקטרוכימיה.

שאלה לדוגמה 1: סוללה גלוונית (תא וולטאי)

שְׁאֵלָה:
תא גלווני עשוי מאלקטרודות Zn (אבץ) ו-Cu (נחושת) טבולות בתמיסות ZnSO₄ ו-CuSO₄ בהתאמה. פוטנציאל האלקטרודה הסטנדרטי עבור Zn²⁺/Zn הוא -0,76 וולט, ועבור Cu²⁺/Cu הוא +0,34 וולט. חשב את מתח התא (תא E°) של התא הגלווני.

דִיוּן:

1. קבע את תגובת חצי התא:
תגובת חצי-תא עבור אבץ (Zn):
\[
Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-
\]
תגובת חצי תא עבור נחושת (Cu):
\[
Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu
\]

2. זיהוי האנודה והקתודה:
– אנודה (חמצון): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (שלילי יותר, -0.76 וולט)
– קתודה (הפחתה): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (חיובי יותר, +0.34 V)

3. חישוב מתח התא (E° תא):
– נוסחת מתח תא סטנדרטית:
\[
E°_{\text{cell}} = E°_{\text{cathode}} – E°_{\text{anode}}
\]
עִם:
\[
E°_{\text{קתודה}} = +0,34 \text{ V}
\]
\[
E°_{\text{אנודה}} = -0,76 \text{V}
\]
– אז, מתח התא:
\[
E°_{\text{sel}} = 0.34 \text{V} – (-0.76 \text{V}) = 1.10 \text{V}
\]

שאלה לדוגמה 2: אלקטרוליזה של תמיסת NaCl

שְׁאֵלָה:
באלקטרוליזה של תמיסת NaCl (aq) באמצעות אלקטרודות אינרטיות, קבע את הגזים הנוצרים באנודה ובקתודה. כמו כן, רשום את התגובות המתרחשות בכל אלקטרודה.

דִיוּן:

1. תגובה באלקטרודה:
– קתודה (חיזור):
היונים שעשויים להיות מעורבים הם Na⁺ ו-H₂O.
תגובות החיזור המתרחשות בדרך כלל הן:
\[
2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 (g) + 2OH^-
\]
לכן, הגז המופק בקתודה הוא ∫(H_2).

– אנודה (חמצון):
היונים שעשויים להיות מעורבים הם Cl⁻ ו-H₂O.
תגובות החמצון המתרחשות בדרך כלל הן:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
לכן, הגז המיוצר באנודה הוא Cl₂.

2. תגובה כללית:
תגובה בקתודה:
\[
2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 (g) + 2OH^-
\]
תגובה באנודה:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
– תגובה כוללת:
\[
2H_2O + 2Cl^- \rightarrow H_2 (g) + Cl_2 (g) + 2OH^-
\]

שאלה לדוגמה 3: תהליך ציפוי אלקטרוליטי

שְׁאֵלָה:
חשב את מסת הכסף (Ag) שהופקדה על הקתודה על ידי הפעלת זרם חשמלי של 0,5 A למשך שעתיים בתמיסת AgNO₃. המסה המולרית של כסף היא 107,87 גרם/מול ופאראדיי אחד שווה ערך ל-96.485 ג/מול e⁻.

דִיוּן:

1. קבע את המטען החשמלי הכולל (Q):
– זרם (I) = 0.5 אמפר
– זמן (t) = שעתיים = 2 × 3600 שניות = 7200 שניות
– המטען החשמלי הכולל (Q) מחושב באמצעות הנוסחה:
\[
Q = I כפול t
\]
אז:
\[
Q = 0.5 A כפול 7200 s = 3600 C
\]

2. חישוב מספר המולות של אלקטרונים (n):
מול אחד של אלקטרונים = 96.485 מעלות צלזיוס
– מספר מולים של אלקטרונים שנמסרו:
\[
n = \frac{3600 \text{ C}}{96.485 \text{ C/mol}} \approx 0.0373 \text{ mol}
\]

3. קביעת מסת הכסף שהופקד:
תגובת חיזור בקתודה:
\[
Ag^+ + e^- \rightarrow Ag \text{ (s)}
\]
מול אחד של אלקטרונים מייצר מול אחד של Ag
מספר מולים של Ag שהופקדו:
\[
0.0373 מול Ag
\]
– באמצעות המסה המולרית של Ag (107,87 גרם/מול):
\[
מסת Ag = 0.0373 מול × 107.87 גרם/מול = כ-4.02 גרם
\]

לפיכך, מסת הכסף המופקדת על הקתודה היא כ-4.02 גרם.

שאלה לדוגמה 4: קורוזיה

שְׁאֵלָה:
תאר את תהליך הקורוזיה של ברזל בסביבה לחה וכתוב את התגובות הכימיות המתרחשות.

דִיוּן:

1. שלבי קורוזיה:
תגובה באנודה:
ברזל מתחמצן ליוני ברזל:
\[
Fe ≈ Fe² + 2e≈
\]
תגובה בקתודה:
חמצן באוויר מגיב עם מים ואלקטרונים מהאנודה:
\[
O_2 + 4H^+ + 4e^- ∫[2H_2O]
\]
בסביבה ניטרלית-לא חומצית, התגובה הסבירה יותר היא:
\[
O_2 + 2H_2O + 4e^- ∫[4OH^-]
\]

2. היווצרות ברזל הידרוקסיד:
יוני Fe²⁺ מתחברים עם יוני OH⁻ ליצירת Fe(OH)₂:
\[
Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2
\]

3. היווצרות חלודה:
– חמצון נוסף של Fe(OH)₂ מייצר Fe(OH)₃ אשר מתייבש ויוצר חלודה (Fe₂O₃.nH₂O):
\[
4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O ∫[4Fe(OH)₃]
\]
– Fe(OH)₃ יכול להפוך ל-Fe₂O₃ על ידי איבוד מים:
\[
2Fe(OH)_3 \rightarrow Fe_2O_3 + 3H_2O
\]

תהליך זה מדגים כיצד ברזל מתקלקל באמצעות סדרה של תגובות אלקטרוכימיות. ידע על קורוזיה חיוני לשמירה על עמידותם של חומרי מתכת בבניינים ותשתיות.

על ידי הבנת שאלות הדוגמה והדיונים לעיל, יש לקוות שהקוראים יוכלו לקבל תמונה ברורה יותר של היישום המעשי של עקרונות אלקטרוכימיים בחיי היומיום.