Exempla Quaestionum et Disputatio de Cellulis Electrolyticis
Cellula electrolytica est instrumentum ad energiam electricam in reactionem chemicam non spontaneam convertendam adhibitum, dissimiliter cellae voltaicae vel cellae galvanicae, quae energiam chemicam in energiam electricam convertunt. In cella electrolytica, cursus electricus adhibetur ad reactionem chemicam cogendam quae aliter sine energia electrica addita non fieret. Haec notio magni momenti est in variis applicationibus industrialibus, ut in productione metallorum purorum, electrolysi aquae ad hydrogenium et oxygenium producendum, et multis aliis.
Hic articulus exempla complura problematum electrolyticarum una cum disputationibus eorum tractabit, quae discipulis adiuvare possunt ut notionem cellularum electrolyticarum altius intellegant.
Exemplum Quaestionis 1: Electrolysis Solutionis NaCl
Pertanyaan
Solutio natrii chloridi (NaCl) electrolysatur utens electrodis inertibus. Reactiones quae ad cathodum et anodum fiunt et producta ad unumquodque electrodum formata scribe.
Disputatio
In cella electrolytica, duo electrodi sunt: cathodus (electrodus negativus) et anodus (electrodus positivus). Electrolysis solutionis NaCl duobus gradibus fit: reactione ad cathodum et reactione ad anodum.
1. Reactio ad Cathodum:
Ad cathodum, iones implicati sunt iones Na^+ et iones H_2O. Attamen, iones H_2O facilius reducuntur quam iones Na^+ propter potentialem reductionis maius.
Reactio quae ad cathodum fit est:
''
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Potentia reductionis = -0.83 V)
''
Productum ad cathodum productum est hydrogenium gasosum (H₂).
2. Reactio ad Anodum:
In anodo, iones implicati sunt iones Cl⁻ et iones H⁻⁻. Iones Cl⁻ facilius oxidantur quam iones H⁻⁻ propter potentialem oxidationis inferiorem.
Reactio quae ad anodum fit est:
''
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (Potentia oxidationis = -1.36 V)
''
Productum in anodo productum est chlorinum gasosum (Cl₂).
Ergo, in electrolysi solutionis NaCl, productum quod ad cathodum producitur est hydrogenium gasosum (H₂) et ad anodum est chlorinum gasosum (Cl₂).
Exemplum Quaestionis II: Electrolysis Solutionis CuSO₄ cum Electrodis Cupreis
Pertanyaan
Electrolysis solutionis cupri(II) sulfatis (CuSO₄) per electrodos cupreos peracta est. Reactiones quae ad cathodum et anodum fiunt et producta ad unumquodque electrodum formata scribe.
Disputatio
In hoc casu, electrodum non iners est, sed electrodum cupreum, ergo electrodum reagiet.
1. Reactio ad Cathodum:
Ad cathodum, iones Cu²⁺ ad anodum reducentur.
''
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (Reduction potential = +0.34 V)
''
Productum ad cathodum productum est cuprum solidum (Cu) quod in electrodo deponitur.
2. Reactio ad Anodum:
Ad anodum, ipsa electroda cuprea oxidabitur.
''
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (Oxidatio potentialis = -0.34 V)
''
Productum in anodo productum sunt iones Cu²⁺.
Quia electrodum ex cupro est, iones Cu²⁺ in solutione electrolyzati dissolutione cupri in anodo compensantur.
Exemplum III: Massa Metalli Deposita
Pertanyaan
In cella electrolytica, 0.2 moles electronum per solutionem CuSO₄ fluunt. Quot grammata cupri ad cathodum deponuntur?
Disputatio
Numerus molium electronum (F) fluentium adhiberi potest ad numerum molium metalli depositi determinandum. Aequatio Faradayana pro depositione metalli est:
\[ n = \frac{Q}{Fz} \]
Ubi:
– Q = quantitas oneris (in Coulombis)
– F = constans Faraday (96500 C/mol)
– z = numerus electronum per molem reactionis.
Hoc in casu, Cu²⁺ duos electrones absorbet ut Cu fiat, ergo z = 2.
Numerus moles cupri depositae est:
n = 0.2 moles electronum/2 = 0.1 moles Cu
Pondus cupri depositi:
Massa Cu = n × Mr.
ubi Mr est massa molaris Cu (63.5 g/mol)
Ita:
Massa Cu = 0.1 × 63.5 = 6.35 grammata.
Ergo, 6.35 grammata cupri in cathodo deponentur.
Exemplum Quaestionis IV: Electrolysis Solutionis KI
Pertanyaan
Electrolysis solutionis KI per electrodos inertes perficitur. Reactiones quae ad cathodum et anodum fiunt et producta quae ad unumquodque electrodum formantur scribe.
Disputatio
1. Reactio ad Cathodum:
Ad cathodum, iones implicati sunt iones K⁺ et H⁺. H⁺ facilius reducitur quam iones K⁺.
''
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)
''
Productum ad cathodum productum est hydrogenium gasosum (H₂).
2. Reactio ad Anodum:
In anodo, iones implicati sunt iones I⁻ et H⁻O. Iones I⁻ facilius oxidantur quam iones H⁻O.
''
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
''
Productum in anodo productum est iodum (I₂).
Ergo, in electrolysi solutionis KI, productum quod ad cathodum producitur est hydrogenium gasosum (H₂) et ad anodum est iodum (I₂).
Extrema
Solida comprehensio principiorum et applicationum cellularum electrolyticarum essentialis est studentibus chemiae et peritis in campis ut metallurgia, productio chemica, et industria energiae. Hic articulus nonnulla exempla problematum electrolyticarum et eorum solutiones praebet ad hanc comprehensionem confirmandam. Speratur ut peritia horum conceptuum fundamentalium adiuvet ad solvendas varias difficultates practicas et theoreticas in mundo reali occurrentes.
