Pavyzdiniai klausimai. Elektrocheminių elementų aptarimas: elektrochemijos pagrindų supratimas pateikiant pavyzdinius klausimus.
Elektrochemija yra chemijos šaka, tirianti cheminių reakcijų ir elektros srovės ryšį. Elektrochemijoje dažnai aptariami du pagrindiniai elementų tipai: galvaniniai (arba voltiniai) elementai ir elektrolitiniai elementai. Abu elementų tipai naudoja redokso reakcijas elektrai generuoti arba naudoti.
Šiame straipsnyje aptarsime keletą elektrocheminių elementų pavyzdžių, kurie padės pagilinti mūsų supratimą apie šią koncepciją.
1. Klausimas: Galvaninis elementas
Pavyzdžiui, paimkime galvaninį elementą, sudarytą iš cinko (Zn) elektrodo, panardinto į ZnSO₄ tirpalą, ir vario (Cu) elektrodo, panardinto į CuSO₄ tirpalą. Užrašykite reakcijas, vykstančias kiekviename elektrode, taip pat bendrą reakciją šiame galvaniniame elemente.
Diskusija:
1. Reakcija cinko elektrode (anodas, oksidacija):
Reakcija: \(Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^- \)
Čia cinkas oksiduojamas iki cinko jonų (Zn²⁺) ir išskiria du elektronus.
2. Reakcija prie vario elektrodo (katodo, redukcijos):
Reakcija: \( Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s) \)
Čia vario jonai (Cu²⁺) priima du elektronus ir redukuojami iki kieto vario (Cu).
3. Bendra reakcija galvaniniame elemente:
Sujunkite šias dvi pusreakcijas, kad gautumėte bendrą reakciją:
\(Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \)
Apskritai galima daryti išvadą, kad galvaniniuose elementuose redokso reakcijų spontaniškumas naudojamas elektros srovei gauti.
2. Klausimas: ląstelės potencialas
Duotas standartinis Zn²⁺/Zn redukcijos potencialas = -0,76 V ir Cu²⁺/Cu = +0,34 V. Apskaičiuokite anksčiau aptarto galvaninio elemento potencialą.
Diskusija:
Ląstelės potencialą (E°_cell) galima apskaičiuoti pagal šią lygtį:
\[
E°_{cell} = E°_{katodas} – E°_{anodas}
\]
Kur:
– Katodas yra elektrodas, kuriame vyksta redukcija (Cu²⁺/Cu, kai E° = +0.34 V)
– Anodas yra elektrodas, kuriame vyksta oksidacija (Zn²⁺/Zn, kai E° = -0.76 V)
\[
E°_{sel} = 0.34\, V – (-0.76\, V) = 0.34\, V + 0.76\, V = 1.10\, V
\]
Taigi galvaninio elemento potencialas yra 1,10 V.
3. Klausimas: Elektrolizės elementas
Elektrolizės elemente natrio chlorido (NaCl) tirpalas paruošiamas elektrolizės elemento viduje naudojant inertinius elektrodus. Užrašykite reakcijas, kurios vyksta prie kiekvieno elektrodo.
Diskusija:
Elektrolizės elemente elektra naudojama nesavaiminei reakcijai sukelti. Elektrolizės elemente su NaCl tirpalu turime:
1. Reakcija katode (redukcija):
\[
2H_2O(l) + 2e^- \rodyklė dešinėn H_2(g) + 2OH^-(aq)
\]
Daugumoje praskiestų NaCl tirpalų vanduo redukuosis anksčiau nei natris, nes vandens redukcijos potencialas yra teigiamesnis (-0.83 V) nei natrio (-2.71 V).
2. Reakcija anode (oksidacija):
\[
2Cl^-(aq) \arrow Cl_2(g) + 2e^-
\]
Anode chlorido jonai oksiduojami į chloro dujas.
3. Bendra reakcija:
Sujunkite reakcijas katode ir anode, kad gautumėte bendrą reakciją:
\[
2H_2O(l) + 2Cl^-(aq) \rodyklė dešinėn H_2(g) + Cl_2(g) + 2OH^-(aq)
\]
Šioje sūraus vandens elektrolizėje kartu su baziniu tirpalu (NaOH) dėl tirpale esančių jonų sąveikos susidaro vandenilio ir chloro dujos.
4. Klausimas: Faradėjaus elektrolizės dėsniai
Kiek gramų vario nusodinama iš CuSO₄ tirpalo, jei per jį praleidžiama 2 Faradų srovė?
Diskusija:
Faradėjaus dėsnis teigia, kad elektrolizės metu ant elektrodo nusėdusios medžiagos kiekis yra proporcingas per jį pratekėjusios elektros srovės stiprumui. Medžiagos masę (m) galima apskaičiuoti pagal šią lygtį:
\[
m = ∫frac{M ∫Q}{n ∫F}
\]
Kur:
– \(m\) yra nusodintos medžiagos masė
– \(M\) yra medžiagos molinė masė (Cu atveju M = 63.5 g/mol)
– \(Q\) yra elektros krūvio dydis (kulonais, apskaičiuojamas kaip \(Q = n \cdot F\), kur n yra Faradėjų skaičius)
– \(n\) yra reakcijoje dalyvaujančių elektronų molių skaičius (Cu²⁺/Cu atveju n = 2)
– \(F\) yra Faradėjaus konstanta (96500 C/mol)
Su 2 Faradėjaus srove:
\[
m = ∫63.5 g/mol ∫2 ∫96500, C(2 ∫96500, C/mol)
\]
Supaprastinkite lygtį:
\[
m = 63.5 g
\]
Rezultatas buvo toks, kad per šią elektrolizę buvo nusodinta 63.5 gramo vario.
Išvada
Elektrocheminių elementų supratimas reikalauja žinių apie redokso reakcijas, elementų potencialų skaičiavimus ir elektrocheminę stechiometriją. Tokių pavyzdinių problemų, kaip aukščiau pateikta, supratimas padeda išsiaiškinti pagrindines sąvokas ir jų taikymą įvairių tipų elektrocheminiuose elementuose. Galiausiai, toliau praktikuokitės spręsdami įvairias problemas, kad pagilintumėte šį supratimą, ypač tiek teorinį, tiek praktinį pritaikymą įvairiose mokslo ir pramonės srityse.
