שאלות לדוגמה ודיון על תאים אלקטרוליטיים
תא אלקטרוליטי הוא מכשיר המשמש להמרת אנרגיה חשמלית לתגובה כימית לא ספונטנית, בניגוד לתא וולטאית או תא גלווני, אשר ממירים אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית. בתא אלקטרוליטי, זרם חשמלי משמש לאילוץ תגובה כימית שלא הייתה מתרחשת ללא אנרגיה חשמלית נוספת. מושג זה חיוני ביישומים תעשייתיים שונים כגון ייצור מתכות טהורות, אלקטרוליזה של מים לייצור מימן וחמצן ועוד.
מאמר זה ידון במספר דוגמאות לבעיות אלקטרוליזה יחד עם דיונים בהן שיכולים לעזור לתלמידים להבין את מושג התאים האלקטרוליטיים בצורה מעמיקה יותר.
שאלה לדוגמה 1: אלקטרוליזה של תמיסת NaCl
פרטניאן
תמיסת נתרן כלורי (NaCl) עוברת אלקטרוליזה באמצעות אלקטרודות אינרטיות. רשמו את התגובות המתרחשות בקתודה ובאנודה ואת התוצרים הנוצרים בכל אלקטרודה.
דִיוּן
בתא אלקטרוליטי, ישנן שתי אלקטרודות: הקתודה (אלקטרודה שלילית) והאנודה (אלקטרודה חיובית). האלקטרוליזה של תמיסת NaCl מתרחשת בשני שלבים: התגובה בקתודה והתגובה באנודה.
1. תגובה בקתודה:
בקתודה, היונים המעורבים הם יוני Na^+ ויוני H_2O. עם זאת, יוני H_2O ניתנים לחיזור ביתר קלות מאשר יוני Na^+ בשל פוטנציאל החיזור הגבוה יותר שלהם.
התגובה המתרחשת בקתודה היא:
""
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (פוטנציאל חיזור = -0.83 וולט)
""
התוצר המופק בקתודה הוא גז מימן (H₂).
2. תגובה באנודה:
באנודה, היונים המעורבים הם יוני Cl⁻ ויוני H_2O. יוני Cl⁻ מתחמצנים בקלות רבה יותר מיוני H_2O בשל פוטנציאל החמצון הנמוך שלהם.
התגובה המתרחשת באנודה היא:
""
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (פוטנציאל חמצון = -1.36 וולט)
""
התוצר המיוצר באנודה הוא גז כלור (Cl₂).
לכן, באלקטרוליזה של תמיסת NaCl, התוצר המיוצר בקתודה הוא גז מימן (H₂) ובאנודה הוא גז כלור (Cl₂).
שאלה לדוגמה 2: אלקטרוליזה של תמיסת CuSO₄ עם אלקטרודות נחושת
פרטניאן
אלקטרוליזה של תמיסת נחושת(II) גופרתי (CuSO₄) בוצעה באמצעות אלקטרודות נחושת. רשמו את התגובות המתרחשות בקתודה ובאנודה ואת התוצרים הנוצרים בכל אלקטרודה.
דִיוּן
במקרה זה, האלקטרודה אינה אינרטית, אלא אלקטרודת נחושת, כך שהאלקטרודה תגיב.
1. תגובה בקתודה:
בקתודה, יוני ה-Cu²⁺ באנודה יעברו חיזור.
""
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (פוטנציאל הפחתה = +0.34 V)
""
התוצר המיוצר בקתודה הוא נחושת מוצקה (Cu) אשר מופקדת על האלקטרודה.
2. תגובה באנודה:
באנודה, אלקטרודת הנחושת עצמה תחומץ.
""
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (פוטנציאל חמצון = -0.34 V)
""
התוצר המיוצר באנודה הוא יוני Cu²⁺.
מכיוון שהאלקטרודה עשויה נחושת, יוני ה-Cu²⁺ שעברו אלקטרוליזה בתמיסה מפוצים על ידי המסת הנחושת באלקטרודת האנודה.
דוגמה 3: מסת המתכת שהופקדה
פרטניאן
בתא אלקטרוליטי, 0.2 מול של אלקטרונים זורמים דרך תמיסת CuSO₄. כמה גרם של נחושת שוקעים בקתודה?
דִיוּן
ניתן להשתמש במספר המולות של אלקטרונים (F) הזורמים כדי לקבוע את מספר המולות של מתכת שהופקדה. משוואת פאראדיי לשקיעת מתכת היא:
n = \frac{Q}{Fz}]
אֵיפֹה:
– Q = כמות המטען (בקולומב)
– F = קבוע פאראדיי (96500 C/mol)
– z = מספר אלקטרונים לכל מול של תגובה.
במקרה זה, Cu²⁺ סופג שני אלקטרונים והופך ל-Cu, ולכן z = 2.
מספר מולים של נחושת שהופקדו הוא:
\[ n = \frac{0.2 \text{ מולים של אלקטרונים}}{2} = 0.1 \text{ מולים של נחושת} \]
משקל הנחושת שהופקדה:
מסה של נחושת = n כפול מר
כאשר Mr הוא המסה המולרית של נחושת (63.5 גרם/מול)
כָּך:
מסה של נחושת = 0.1 כפול 63.5 = 6.35 גרם
אז, 6.35 גרם של נחושת יופקדו על הקתודה.
שאלה לדוגמה 4: אלקטרוליזה של תמיסת KI
פרטניאן
אלקטרוליזה של תמיסת KI מבוצעת באמצעות אלקטרודות אינרטיות. רשמו את התגובות המתרחשות בקתודה ובאנודה ואת התוצרים הנוצרים בכל אלקטרודה.
דִיוּן
1. תגובה בקתודה:
בקתודה, היונים המעורבים הם יוני K⁺ ו-H_2O. H_2O מתבצר בקלות רבה יותר מיוני K⁺.
""
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)
""
התוצר המופק בקתודה הוא גז מימן (H₂).
2. תגובה באנודה:
באנודה, היונים המעורבים הם יוני I⁻ ו-H_2O. יוני I⁻ מתחמצנים ביתר קלות מאשר יוני H_2O.
""
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
""
התוצר המיוצר באנודה הוא יוד (I₂).
לכן, באלקטרוליזה של תמיסת KI, התוצר המיוצר בקתודה הוא גז מימן (H₂) ובאנודה הוא יוד (I₂).
סְגִירָה
הבנה מעמיקה של עקרונות ויישומים של תאים אלקטרוליטיים חיונית לסטודנטים לכימיה ולאנשי מקצוע בתחומים כמו מטלורגיה, ייצור כימי ותעשיית האנרגיה. מאמר זה מציג מספר דוגמאות לבעיות אלקטרוליזה ופתרונותיהן כדי לחזק הבנה זו. יש לקוות ששליטה במושגים בסיסיים אלה תסייע בפתרון בעיות מעשיות ותיאורטיות שונות הנתקלות בעולם האמיתי.
