Jautājumu piemēri, kuros apspriests volta elementu un elektrolītisko elementu salīdzinājums
Volta elementu un elektrolītisko elementu salīdzinājums ir būtiska tēma ķīmijā, īpaši elektroķīmijas pētījumos. Abas ir ierīces, ko izmanto, lai ģenerētu elektrību no ķīmiskām reakcijām vai vadītu ķīmiskās reakcijas, pielietojot elektrisko enerģiju. Šajā rakstā, izmantojot piemēru problēmas un diskusijas, tiks izceltas galvenās atšķirības starp volta elementiem un elektrolītiskajām elementiem. Mērķis ir sniegt vispusīgu un padziļinātu izpratni par abiem elementu veidiem.
Voltaic šūna
Galvaniskā šūna, kas pazīstama arī kā galvaniskā šūna, ir elektroķīmiskās šūnas veids, kas spontānas ķīmiskas reakcijas rezultātā rada elektrisko strāvu. Galvaniskajā šūnā notiek redoksreakcija, kurā reducēšanās un oksidēšanās notiek dažādos elektrodos. Lai to labāk izprastu, aplūkosim galvaniskās šūnas piemēru.
1. jautājuma piemērs:
Volta elementa anods ir izgatavots no cinka (Zn), bet katods — no vara (Cu). Pieņemsim, ka, aplūkojot standarta reducēšanas potenciālu tabulu, Cu²⁺/Cu standarta reducēšanas potenciāls (E°) ir +0,34 V un Zn²⁺/Zn ir -0,76 V. Aprēķiniet šīs volta elementa standarta elementa potenciālu (E°).
Diskusija:
Vispirms uzrakstiet pusšūnu oksidācijas un reducēšanas reakcijas.
– Anods (oksidācija): Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻
– Katods (reducēšana): Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)
Standarta šūnas potenciālu (E° šūna) aprēķina no katoda un anoda redukcijas potenciālu starpības.
– E° šūna = E° katods – E° anods
– E° katods = +0,34 V
– E° anods = -0,76 V
Tātad standarta šūnas potenciāls ir:
\[ E°_{sel} = 0.34 V – (-0.76 V) \]
\[ E°_{šūna} = 0.34 V + 0.76 V \]
\[E°_{sel} = 1.10 V \]
Tātad šī galvaniskā elementa standarta šūnas potenciāls ir 1,10 V.
Elektrolītiskā šūna
Savukārt elektrolīzes šūnas izmanto elektrisko enerģiju, lai piespiestu notikt nespontānas ķīmiskās reakcijas. Elektrolīzes šūnā no ārēja avota tiek pielietota elektriskā strāva, lai izraisītu redoksreakciju, kas pati par sevi nenotiktu. Apskatīsim elektrolīzes šūnas piemēru, lai izprastu tās īpašības un darbības principus.
2. jautājuma piemērs:
Elektrolīzes procesā alumīnijs tiek ražots no izkausēta alumīnija oksīda (Al₂O₃). Aprēķiniet elektroenerģijas daudzumu, kas nepieciešams, lai saražotu 1 molu alumīnija (Al). Pieņemiet, ka viena mola Al iegūšanai nepieciešami trīs moli elektronu.
Diskusija:
Saskaņā ar elektrolīzes elektroķīmisko vienādojumu:
\[ Al^{3+}(aq) + 3e⁻ → Al(s) \]
Ir zināms, ka uz katru alumīnija molu nepieciešami 3 elektronu moli. Saskaņā ar Faraday likumu nepieciešamo elektrības daudzumu (Q) var aprēķināt, izmantojot formulu:
\[Q = n \cdot F \]
di mana:
– n ir elektronu molu skaits
– F ir Faradeja konstante (96500 C/mol elektronu)
Lai iegūtu 1 molu Al:
\[n = 3 \text{ elektronu moli} \]
Tādējādi elektroenerģijas daudzums (Q):
\[Q = 3 \cdot 96500 \]
\[ Q = 289500 \teksts{ C} \]
Tātad, lai saražotu 1 molu alumīnija, nepieciešami 289 500 kuloni elektroenerģijas.
Voltaisko šūnu un elektrolītisko šūnu salīdzinājums
Nākamajā tabulā ir apkopotas galvenās atšķirības starp galvaniskajām šūnām un elektrolītiskajām šūnām:
| Aspekti | Voltālais elements | Elektrolītiskais elements |
|—————————–|—————————————|———————————–|
| Enerģijas avoti | Ķīmiskās reakcijas | Elektriskā enerģija |
| Reakcijas veids | Spontāna | Ne-spontāna |
| Anods (-)/Katods (+) | Anods (-), Katods (+) | Anods (+), Katods (-) |
| Mērķis | Ražot elektrību | Izraisīt ķīmiskas reakcijas |
| Pielietojums | Baterijas, degvielas elementi | Galvanizācija, metāla liešana, rafinēšana |
Enerģijas avoti:
Volta šūnas ražo elektrisko enerģiju no spontānām ķīmiskām reakcijām, savukārt elektrolītiskās šūnas izmanto elektrisko enerģiju no ārēja avota, lai piespiestu notikt ne-spontānas reakcijas.
Reakcijas veids:
Galvaniskajā šūnā spontāna reakcija izraisa elektronu plūsmu no anoda uz katodu caur ārēju ķēdi. Elektrolītiskajā šūnā ārēja elektriskā strāva tiek izmantota, lai ierosinātu reakciju, kas pati par sevi nenotiktu.
Anods un katods:
Voltāžas šūnā anods ir negatīvais elektrods, bet katods ir pozitīvais elektrods. Elektrolītiskajā šūnā anods ir pozitīvais elektrods, bet katods ir negatīvais elektrods. Šī ir viena no galvenajām atšķirībām, kas bieži mulsina studentus.
Tujuan:
Voltāžas šūnas galvenais mērķis ir elektroenerģijas ražošana, savukārt elektrolītisko šūnu izmanto, lai izraisītu ķīmiskas reakcijas, piemēram, metālu rafinēšanu vai ūdens elektrolīzi.
Lietotne:
Voltiskie elementi parasti tiek izmantoti baterijās un degvielas elementos, kas ražo elektrību dažādiem lietojumiem. Elektrolītiskās šūnas tiek izmantotas rūpnieciskos procesos, piemēram, metālu liešanā, galvanizācijā un metālu rafinēšanā.
Secinājums
Gan voltaiskajām, gan elektrolītiskajām šūnām ir būtiska loma mūsdienu tehnoloģijās. Izpratne par to, kā darbojas katrs elementu veids un kā aprēķināt dažādos iesaistītos parametrus, izmantojot piemērus, ir būtiska, lai apgūtu elektroķīmijas jēdzienus. Iepriekš minētajā diskusijā mēs esam izcēluši fundamentālās atšķirības starp voltaiskajām un elektrolītiskajām šūnām, tostarp to enerģijas avotiem, reakciju veidiem un to pielietojuma piemēriem ikdienas dzīvē.
Labi izprotot šos divus šūnu veidus, jūs būsiet labāk sagatavoti risināt dažādas saistītas problēmas ķīmijas eksāmenos un pielietot tās dažādos mūsdienu instrumentos un tehnoloģijās.
