ელექტროლიტური უჯრედების შესახებ კითხვების მაგალითები და განხილვა
ელექტროლიტური ელემენტი არის მოწყობილობა, რომელიც გამოიყენება ელექტრული ენერგიის არასპონტანურ ქიმიურ რეაქციად გარდასაქმნელად, ვოლტური ან გალვანური ელემენტისგან განსხვავებით, რომლებიც ქიმიურ ენერგიას ელექტრო ენერგიად გარდაქმნიან. ელექტროლიტურ ელემენტში ელექტრული დენი გამოიყენება ქიმიური რეაქციის იძულებით წარმოსაქმნელად, რომელიც სხვა შემთხვევაში არ მოხდებოდა დამატებითი ელექტრული ენერგიის გარეშე. ეს კონცეფცია გადამწყვეტია სხვადასხვა სამრეწველო დანიშნულებაში, როგორიცაა სუფთა ლითონების წარმოება, წყლის ელექტროლიზი წყალბადის და ჟანგბადის წარმოსაქმნელად და მრავალი სხვა.
ამ სტატიაში განხილული იქნება ელექტროლიზის პრობლემების რამდენიმე მაგალითი მათ განხილვებთან ერთად, რაც სტუდენტებს ელექტროლიტური უჯრედების კონცეფციის უფრო ღრმად გააზრებაში დაეხმარება.
მაგალითი კითხვა 1: NaCl ხსნარის ელექტროლიზი
პერტანიაიანი
ნატრიუმის ქლორიდის (NaCl) ხსნარი ელექტროლიზდება ინერტული ელექტროდების გამოყენებით. ჩაწერეთ რეაქციები, რომლებიც მიმდინარეობს კათოდსა და ანოდზე და თითოეულ ელექტროდზე წარმოქმნილი პროდუქტები.
დისკუსია
ელექტროლიტურ უჯრედში ორი ელექტროდია: კათოდური (უარყოფითი ელექტროდი) და ანოდი (დადებითი ელექტროდი). NaCl ხსნარის ელექტროლიზი ორ ეტაპად მიმდინარეობს: რეაქციები კათოდზე და რეაქციები ანოდზე.
1. რეაქცია კათოდზე:
კათოდზე ჩართული იონებია Na^+ იონები და H_2O იონები. თუმცა, H_2O იონები უფრო ადვილად აღდგება, ვიდრე Na^+ იონები, მათი უფრო მაღალი აღდგენის პოტენციალის გამო.
კათოდზე მიმდინარე რეაქციაა:
""
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (აღდგენის პოტენციალი = -0.83 ვ)
""
კათოდზე წარმოქმნილი პროდუქტი არის წყალბადის აირი (H₂).
2. რეაქცია ანოდზე:
ანოდზე ჩართულია Cl⁻ იონები და H⁻O იონები. Cl⁻ იონები უფრო ადვილად იჟანგება, ვიდრე H⁻O იონები, მათი დაბალი დაჟანგვის პოტენციალის გამო.
ანოდზე მიმდინარე რეაქციაა:
""
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (ჟანგვის პოტენციალი = -1.36 ვ)
""
ანოდზე წარმოქმნილი პროდუქტი არის ქლორის აირი (Cl₂).
ამგვარად, NaCl ხსნარის ელექტროლიზის დროს, კათოდზე წარმოქმნილი პროდუქტია წყალბადის აირი (H₂), ხოლო ანოდზე - ქლორის აირი (Cl₂).
მაგალითი კითხვა 2: CuSO₄ ხსნარის ელექტროლიზი სპილენძის ელექტროდებით
პერტანიაიანი
სპილენძის (II) სულფატის (CuSO₄) ხსნარის ელექტროლიზი განხორციელდა სპილენძის ელექტროდების გამოყენებით. ჩაწერეთ რეაქციები, რომლებიც მიმდინარეობს კათოდსა და ანოდზე და თითოეულ ელექტროდზე წარმოქმნილი პროდუქტები.
დისკუსია
ამ შემთხვევაში, ელექტროდი არ არის ინერტული, არამედ სპილენძის ელექტროდია, ამიტომ ელექტროდი რეაგირებს.
1. რეაქცია კათოდზე:
კათოდზე, ანოდზე Cu²⁺ იონები შემცირდება.
""
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (შემცირების პოტენციალი = +0.34 V)
""
კათოდზე წარმოქმნილი პროდუქტი არის მყარი სპილენძი (Cu), რომელიც ელექტროდზე ილექება.
2. რეაქცია ანოდზე:
ანოდზე, სპილენძის ელექტროდი თავად დაჟანგდება.
""
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e- (ჟანგვის პოტენციალი = -0.34 V)
""
ანოდზე წარმოქმნილი პროდუქტია Cu²⁺ იონები.
რადგან ელექტროდი სპილენძისგან შედგება, ხსნარში ელექტროლიზებული Cu²⁺ იონები კომპენსირდება სპილენძის ანოდურ ელექტროდზე გახსნით.
მაგალითი 3: დალექილი ლითონის მასა
პერტანიაიანი
ელექტროლიტურ ელემენტში, CuSO₄ ხსნარში ელექტრონების 0.2 მოლი გადის. რამდენი გრამი სპილენძი ილექება კათოდზე?
დისკუსია
ლითონის დალექვის მოლების რაოდენობის დასადგენად შეიძლება გამოყენებულ იქნას მოძრავი ელექტრონების მოლების რაოდენობა (F). ლითონის დალექვის ფარადეის განტოლებაა:
\[ n = \frac{Q}{Fz} \]
სად:
– Q = მუხტის რაოდენობა (კულონებში)
– F = ფარადეის მუდმივა (96500 C/მოლ)
– z = ელექტრონების რაოდენობა რეაქციის მოლზე.
ამ შემთხვევაში, Cu²⁺ შთანთქავს ორ ელექტრონს და გარდაიქმნება Cu, ამიტომ z = 2.
დალექილი სპილენძის მოლების რაოდენობაა:
\[ n = \frac{0.2 \text{ ელექტრონების მოლი}}{2} = 0.1 \text{ სპილენძის მოლი} \]
დალექილი სპილენძის წონა:
\[ \text{სპილენძის მასა} = n \ჯერ \text{მრ} \]
სადაც Mr არის Cu-ს მოლური მასა (63.5 გ/მოლ)
ასე რომ:
\[ \text{სპილენძის მასა} = 0.1 \ჯერ 63.5 = 6.35 \text{გრამი} \]
ასე რომ, კათოდზე 6.35 გრამი სპილენძი დაილექება.
მაგალითი კითხვა 4: KI ხსნარის ელექტროლიზი
პერტანიაიანი
KI ხსნარის ელექტროლიზი ხორციელდება ინერტული ელექტროდების გამოყენებით. ჩაწერეთ კათოდსა და ანოდზე მიმდინარე რეაქციები და თითოეულ ელექტროდზე წარმოქმნილი პროდუქტები.
დისკუსია
1. რეაქცია კათოდზე:
კათოდზე ჩართულია K⁺ და H⁺O იონები. H⁺ უფრო ადვილად აღდგება, ვიდრე K⁺ იონები.
""
2H2O(l) + 2e-→ H2(g) + 2OH-(aq)
""
კათოდზე წარმოქმნილი პროდუქტი არის წყალბადის აირი (H₂).
2. რეაქცია ანოდზე:
ანოდზე ჩართულია I⁻ და H⁻O იონები. I⁻ იონები უფრო ადვილად იჟანგება, ვიდრე H⁻O იონები.
""
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
""
ანოდზე წარმოქმნილი პროდუქტია იოდი (I₂).
ამგვარად, KI ხსნარის ელექტროლიზის დროს, კათოდზე წარმოქმნილი პროდუქტი არის წყალბადის აირი (H₂), ხოლო ანოდზე - იოდი (I₂).
დახურვა
ელექტროლიტური უჯრედების პრინციპებისა და გამოყენების საფუძვლიანი გაგება აუცილებელია ქიმიის სტუდენტებისა და პროფესიონალებისთვის ისეთ სფეროებში, როგორიცაა მეტალურგია, ქიმიური წარმოება და ენერგეტიკის ინდუსტრია. ეს სტატია წარმოადგენს ელექტროლიზის რამდენიმე მაგალით პრობლემას და მათ გადაჭრის გზებს, რათა ხელი შეუწყოს ამ გაგების განმტკიცებას. ვიმედოვნებთ, რომ ამ ძირითადი კონცეფციების დაუფლება ხელს შეუწყობს რეალურ სამყაროში არსებული სხვადასხვა პრაქტიკული და თეორიული პრობლემების გადაჭრას.
