Elektrolitinių elementų klausimų pavyzdžiai ir aptarimas
Elektrolizės elementas yra įrenginys, naudojamas elektros energijai paversti nesavaimine chemine reakcija, kitaip nei voltinis arba galvaninis elementas, kurie cheminę energiją paverčia elektros energija. Elektrolizės elemente elektros srovė naudojama cheminei reakcijai, kuri kitaip nevyktų be papildomos elektros energijos, sukelti. Ši koncepcija yra labai svarbi įvairiose pramonės srityse, tokiose kaip grynų metalų gamyba, vandens elektrolizė vandeniliui ir deguoniui gaminti ir daugelyje kitų sričių.
Šiame straipsnyje bus aptarti keli elektrolizės problemų pavyzdžiai ir jų aptarimai, kurie gali padėti studentams giliau suprasti elektrolizės elementų koncepciją.
1 klausimo pavyzdys: NaCl tirpalo elektrolizė
Klausimas
Natrio chlorido (NaCl) tirpalas elektrolizuojamas naudojant inertinius elektrodus. Parašykite reakcijas, vykstančias ant katodo ir anodo, ir kiekviename elektrode susidariusius produktus.
Pembahasanas
Elektrolizės elemente yra du elektrodai: katodas (neigiamas elektrodas) ir anodas (teigiamas elektrodas). NaCl tirpalo elektrolizė vyksta dviem etapais: reakcija prie katodo ir reakcija prie anodo.
1. Reakcija katode:
Katode dalyvauja Na^+ jonai ir H_2O jonai. Tačiau H_2O jonai redukuojami lengviau nei Na^+ jonai dėl didesnio redukcijos potencialo.
Katode vykstanti reakcija yra:
„“
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Redukcijos potencialas = -0.83 V)
„“
Katode susidaręs produktas yra vandenilio dujos (H₂).
2. Reakcija anode:
Anode dalyvauja Cl⁻ jonai ir H_2O jonai. Cl⁻ jonai oksiduojasi lengviau nei H_2O jonai dėl mažesnio oksidacijos potencialo.
Anodoje vykstanti reakcija yra:
„“
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (oksidacijos potencialas = -1.36 V)
„“
Anodoje susidaręs produktas yra chloro dujos (Cl₂).
Taigi, NaCl tirpalo elektrolizės metu katode susidaro vandenilio dujos (H₂), o anode – chloro dujos (Cl₂).
2 pavyzdžio klausimas: CuSO₄ tirpalo elektrolizė variniais elektrodais
Klausimas
Vario(II) sulfato (CuSO₄) tirpalo elektrolizė atlikta naudojant varinius elektrodus. Užrašykite reakcijas, vykstančias ant katodo ir anodo, ir kiekviename elektrode susidariusius produktus.
Pembahasanas
Šiuo atveju elektrodas nėra inertiškas, o varinis elektrodas, todėl elektrodas reaguos.
1. Reakcija katode:
Katode Cu²⁺ jonai anode bus redukuoti.
„“
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (redukcijos potencialas = +0.34 V)
„“
Katode susidaręs produktas yra kietas varis (Cu), kuris nusėda ant elektrodo.
2. Reakcija anode:
Anode pats vario elektrodas bus oksiduotas.
„“
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (oksidacijos potencialas = -0.34 V)
„“
Anodoje susidaręs produktas yra Cu²⁺ jonai.
Kadangi elektrodas yra varinis, tirpale elektrolizuojami Cu²⁺ jonai yra kompensuojami vario ištirpimu anodo elektrode.
3 pavyzdys: Nusodinto metalo masė
Klausimas
Elektrolizės elemente 0.2 molio elektronų praeina per CuSO₄ tirpalą. Kiek gramų vario nusėda ant katodo?
Pembahasanas
Tekančių elektronų molių (F) skaičius gali būti naudojamas norint nustatyti nusodintų metalo molių skaičių. Faradėjaus lygtis metalų nusodinimui yra:
n = ∫frac{Q}{Fz}
mano:
– Q = krūvio kiekis (kulonais)
– F = Faradėjaus konstanta (96500 C/mol)
– z = elektronų skaičius viename reakcijos molyje.
Šiuo atveju Cu²⁺ sugeria du elektronus ir virsta Cu, taigi z = 2.
Nusodintų vario molių skaičius yra:
\[n = \frac{0.2 \text{ elektronų moliai}}{2} = 0.1 \text{ Cu moliai} \]
Nusodinto vario svoris:
\[ \text{Cu masė} = n \text{Mr} \]
kur Mr yra Cu molinė masė (63.5 g/mol)
Taigi:
\[ \text{Cu masė} = 0.1 \x 63.5 = 6.35 \text{ gramai} \]
Taigi, ant katodo nusės 6.35 gramo vario.
4 pavyzdžio klausimas: KI tirpalo elektrolizė
Klausimas
KI tirpalo elektrolizė atliekama naudojant inertinius elektrodus. Užrašykite reakcijas, vykstančias ant katodo ir anodo, ir kiekviename elektrode susidariusius produktus.
Pembahasanas
1. Reakcija katode:
Katode redukuojami K⁺ ir H₂O jonai. H₂O redukuojamas lengviau nei K⁺ jonai.
„“
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻ (vandens)
„“
Katode susidaręs produktas yra vandenilio dujos (H₂).
2. Reakcija anode:
Anode dalyvauja I⁻ ir H_2O jonai. I⁻ jonai oksiduojasi lengviau nei H_2O jonai.
„“
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
„“
Anode susidaręs produktas yra jodas (I₂).
Taigi, KI tirpalo elektrolizės metu katode susidaro vandenilio dujos (H₂), o anode – jodas (I₂).
Uždarymas
Chemijos studentams ir specialistams, dirbantiems tokiose srityse kaip metalurgija, chemijos gamyba ir energetikos pramonė, būtina gerai suprasti elektrolizės elementų principus ir taikymą. Šiame straipsnyje pateikiami keli elektrolizės uždavinių pavyzdžiai ir jų sprendimai, siekiant sustiprinti šį supratimą. Tikimasi, kad šių pagrindinių sąvokų įvaldymas padės išspręsti įvairias praktines ir teorines problemas, su kuriomis susiduriama realiame pasaulyje.
