Электрохимияны талқылау сұрақтарының мысалы
Электрохимия - химиялық реакциялар мен электр энергиясының өзгеруі арасындағы байланысты зерттейтін химия саласы. Электрохимияда екі негізгі ұғым бар: тотығу (электрондардың бөлінуі) және тотықсыздану (электрондардың қосылуы). Бұл процестерді екі түрлі электрохимиялық жасушаларда байқауға болады: вольтты жасушалар (гальваникалық жасушалар) және электролиттік жасушалар. Төменде электрохимияны түсінуге көмектесетін кейбір мысал есептері және олардың түсіндірмелері берілген.
1-мысал: Вольтаикалық элемент
Сұрақ:
Мырыш (Zn) және мыс (Cu) электродтары тұз көпірі арқылы қосылған вольтты элемент берілген. Zn 1 М ZnSO4 ерітіндісіне, ал Cu 1 М CuSO4 ерітіндісіне батырылады. Әрбір электродта жүретін реакцияларды жазып, вольтты элементтің потенциалдар айырмасын (ЭҚК) есептеңіз. Стандартты электродтық потенциал деректері:
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]
Талқылау:
Бірінші қадам - жүретін тотығу-тотықсыздану реакциясын анықтау. Вольтаикалық жасушада өздігінен тотығу-тотықсыздану реакциясы жүреді, мұнда
– Мырыш (Zn) тотығуға ұшырайды:
\[ \text{Zn(s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Мыс (Cu) тотықсыздануға ұшырайды:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \оң жақ көрсеткі \text{Cu(s)} \]
Вольваикалық элементтегі жалпы тотығу-тотықсыздану реакциясы:
\[ \text{Zn(s)} + \text{Cu}^{2+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + \text{Cu(s)} \]
Әрі қарай, ұяшықтың потенциалдар айырмашылығын есептейміз:
\[ E_{\мәтін{ұяшық}} = E^o_{\мәтін{катод}} – E^o_{\мәтін{анод}} \]
Қайда:
– Катод – тотықсыздану (Cu) жүретін электрод.
– Анод – тотығу (Zn) жүретін электрод.
Сондай-ақ,
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} = 1.10 \, \text{V} \]
Кесімпулан:
– Анодта (Zn) жүретін реакция:
\[ \text{Zn(s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Катодта (Cu) жүретін реакция:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \оң жақ көрсеткі \text{Cu(s)} \]
– Ұяшық потенциалдарының айырмашылығы (ЭҚК): 1.10 В
-
2-мысал: Электролиттік жасуша
Сұрақ:
NaCl ерітіндісінің электролизі кезінде платина (Pt) сияқты инертті электрод қолданылған жағдайда катод пен анодта жүретін реакцияларды көрсетіңіз. 1 грамм Cl2 алу үшін қажетті жалпы зарядты есептеңіз. (Ar Cl = 35.5)
Талқылау:
Бірінші қадам - NaCl тұз ерітіндісіндегі әрбір электродта жүретін реакцияларды жазу.
– Катодта (тотықсыздану):
Бұл процесте судан Н+ иондары тотықсызданады:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \оң жақ көрсеткі H_2(g) + 2OH^-(ақ) \]
– Анодта (тотығу):
Cl- ионы Cl2 газына айналу үшін тотығудан өтеді:
\[ 2Cl^-(ақ) \оң жақ көрсеткі Cl_2(g) + 2e^- \]
Жалпы реакция:
Сонымен, NaCl ерітіндісінің электролизінде жүретін жалпы реакция:
\[ 2NaCl(ақ) + 2H_2O(l) \оң жақ көрсеткі 2NaOH(ақ) + H_2(g) + Cl_2(g) \]
1 грамм Cl2 алу үшін қажетті зарядты есептеу үшін Cl2 моль санын анықтауымыз керек:
\[ \text{Cl массасы}_2 = 1 \text{ грамм} \]
\[ \text{Ar Cl}_2 = 2 \times 35.5 = 71 \text{ грам/моль} \]
\[ \text{Cl2 мольдерінің саны}_2 = \frac{1}{71} \text{ моль} \]
Анодтағы реакция теңдеуіне сүйене отырып, 2 моль электроннан 1 моль Cl2 түзіледі:
\[ 2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^- \]
Басқаша айтқанда, 1 моль Cl2 үшін 2 моль электрон қажет.
Электрондардың моль саны:
\[ \text{Электрондардың моль саны} = 2 \times \frac{1}{71} = \frac{2}{71} \text{mol} \]
Қажетті зарядты Фарадей мәнін (F = 96485 C/моль e^-) пайдаланып есептеуге болады:
\[ Q = n \рет F \]
\[ Q = \left(\frac{2}{71} \text{mol}\right) \times 96485 \text{ C/mol} \]
\[ Q = 2718 \text{ C} \]
Кесімпулан:
– Катодтағы реакция:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \оң жақ көрсеткі H_2(g) + 2OH^-(ақ) \]
– Анодтағы реакция:
\[ 2Cl^-(ақ) \оң жақ көрсеткі Cl_2(g) + 2e^- \]
– 1 грамм Cl2 алу үшін қажетті жалпы заряд 2718°C құрайды.
-
3-мысал: Нернст қатынасы және стандартты емес шарттар
Сұрақ:
Күміс иондарының концентрациясы 0.1 М болатын Ag/Ag+ электродтарынан және концентрациясы 0.01 М болатын Zn/Zn2+ электродтарынан жасалған вольтты элементтің потенциалын есептеңіз. Стандартты электродтық потенциал:
\[ E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} = +0.80 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
Талқылау:
Бірінші қадам - болатын реакцияларды жазу:
– Анодтағы (Zn) тотығу:
\[ \text{Zn(s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Катодтағы тотықсыздану (Ag):
\[ \text{Ag}^{+} (aq) + e^- \rightarrow \text{Ag(s)} \]
Жалпы реакция:
\[ \text{Zn(s)} + 2\text{Ag}^{+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2\text{Ag(s)} \]
Нернст теңдеуіне негізделген:
\[ E_{\text{Cell}} = E^o_{\text{Cell}} – \left( \frac{0.0592}{n} \right) \log \left( \frac{[\text{product}]}{[\text{reactant}]} \right) \]
Қайда:
\[ n = 2 \]
Алдымен, E^o_{\text{Sel}} есептеңіз:
\[ E^o_{\text{Sel}} = E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} – E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} \]
\[ E^o_{\text{Sel}} = 0.80 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E^o_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]
Әрі қарай, берілген концентрациядағы нақты жасуша потенциалын есептеңіз:
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^{+}]^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{0.01}{(0.1)^2} \right) \]
\[ E_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} – 0.0296 \log \left( \frac{0.01}{0.01} \right) \]
\[ E_{\text{Ұяшық}} = 1.56 \, \text{V} \]
Кесімпулан:
– Анод пен катодта жүретін реакциялар өзгеріссіз қалады
– Берілген концентрациядағы ұяшық потенциалы 1.56 В құрайды
Бұл мақалада электрохимиядағы бірнеше есептерді қалай шешуге болатыны көрсетілген, соның ішінде вольтты элементтерге, электролиттік элементтерге қатысты есептерді және Нернст теңдеуін қолданатын есептеулерді. Тотығу-тотықсыздану реакцияларының принциптерін толық түсіну және электрохимиялық деректерді пайдалана білу осы есептерді сәтті шешу үшін өте маңызды.
