Пример за прашања за дискусија за електрохемија
Електрохемијата е гранка на хемијата што ја проучува врската помеѓу хемиските реакции и промените во електричната енергија. Во електрохемијата, постојат два главни концепта: оксидација (ослободување на електрони) и редукција (добивање на електрони). Овие процеси може да се забележат во два вида електрохемиски ќелии: волтаични ќелии (галвански ќелии) и електролитички ќелии. Подолу се дадени неколку примери на проблеми и нивните објаснувања за да ви помогнат да ја разберете електрохемијата.
Пример за прашање 1: Волтинска ќелија
Прашање:
Дадена е волтинска ќелија со цинкови (Zn) и бакарни (Cu) електроди поврзани преку солен мост. Zn се потопува во раствор од 1 M ZnSO4, а Cu се потопува во раствор од 1 M CuSO4. Запишете ги реакциите што се случуваат на секоја електрода и пресметајте ја разликата на потенцијали (EMF) на волтинската ќелија. Стандардни податоци за потенцијалот на електродата:
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]
Пембахасан:
Првиот чекор е да се одреди редокс реакцијата што се случува. Во волтна ќелија, се случува спонтана редокс реакција каде што
– Цинкот (Zn) се подложува на оксидација:
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Бакарот (Cu) се редуцира:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
Вкупната редокс реакција во волтна ќелија е:
\[ \text{Zn (s)} + \text{Cu}^{2+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + \text{Cu (s)} \]
Следно, ќе ја пресметаме разликата во потенцијалот на ќелијата:
\[ E_{\text{ќелија}} = E^o_{\text{катода}} – E^o_{\text{анода}} \]
Димана:
– Катодата е електродата каде што се случува редукција (Cu).
– Анодата е електродата каде што се случува оксидација (Zn).
Така што,
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} = 1.10 \, \text{V} \]
Заклучок:
– Реакцијата што се одвива на анодата (Zn):
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Реакцијата што се одвива на катодата (Cu):
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
– Разлика на потенцијал во ќелиите (EMF): 1.10 V
-
Пример за прашање 2: Електролитичка ќелија
Прашање:
При електролиза на раствор од NaCl, наведете ги реакциите што се случуваат на катодата и анодата ако се користи инертна електрода, како што е платината (Pt). Пресметајте го вкупниот полнеж потребен за производство на 1 грам Cl2. (Ar Cl = 35.5)
Пембахасан:
Првиот чекор е да се запишат реакциите што се случуваат на секоја електрода во растворот од NaCl сол.
– На катодата (редукција):
Во овој процес, H+ јоните од водата ќе бидат редуцирани:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \десна стрелка H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– На анодата (оксидација):
Cl- јонот ќе претрпи оксидација и ќе стане гас од Cl2:
\[ 2Cl^-(aq) \десно стрелка Cl_2(g) + 2e^- \]
Вкупна реакција:
Значи, вкупната реакција што се одвива при електролиза на раствор од NaCl е:
\[ 2NaCl(aq) + 2H_2O(l) \десна стрелка 2NaOH(aq) + H_2(g) + Cl_2(g) \]
За да го пресметаме полнежот потребен за производство на 1 грам Cl2, треба да го одредиме бројот на молови на Cl2:
\[ \text{Маса на Cl}_2 = 1 \text{грам} \]
\[ \text{ArCl}_2 = 2 \times 35.5 = 71 \text{грам/мол} \]
\[ \text{Број на молови на Cl}_2 = \frac{1}{71} \text{mol} \]
Врз основа на равенката на реакцијата на анодата, 1 мол Cl2 се произведува од 2 молови електрони:
\[ 2Cl^- \десна стрелка Cl_2 + 2e^- \]
Со други зборови, за 1 мол Cl2 се потребни 2 молови електрони.
Број на молови на електрони:
\[ \text{Број на молови на електрони} = 2 \times \frac{1}{71} = \frac{2}{71} \text{mol} \]
Потребниот полнеж може да се пресмета со користење на Фарадеевата вредност (F = 96485 C/mol e^-):
\[ Q = n пати F \]
\[ Q = \left(\frac{2}{71} \text{mol}\right) \times 96485 \text{C/mol} \]
\[ Q = 2718 \text{ C} \]
Заклучок:
– Реакција на катодата:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \десна стрелка H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– Реакција на анодата:
\[ 2Cl^-(aq) \десно стрелка Cl_2(g) + 2e^- \]
– Вкупниот полнеж потребен за производство на 1 грам Cl2 е 2718 C.
-
Пример 3: Нернстова врска и нестандардни услови
Прашање:
Пресметајте го потенцијалот на волтинска ќелија направена од Ag/Ag+ електроди со концентрација на сребрени јони од 0.1 M и Zn/Zn2+ електроди со концентрација од 0.01 M. Стандардниот електроден потенцијал е:
\[ E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} = +0.80 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
Пембахасан:
Првиот чекор е да се запишат реакциите што се случуваат:
– Оксидација на анодата (Zn):
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Редукција на катодата (Ag):
\[ \text{Ag}^{+} (aq) + e^- \rightarrow \text{Ag (s)} \]
Вкупна реакција:
\[ \text{Zn (s)} + 2\text{Ag}^{+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2\text{Ag (s)} \]
Врз основа на Нернстовата равенка:
\[ E_{\text{Клетка}} = E^o_{\text{Клетка}} – \left( \frac{0.0592}{n} \right) \log \left( \frac{[\text{производ}]}{[\text{реактант}]} \right) \]
Димана:
\[ n = 2 \]
Прво, пресметајте E^o_{\text{Sel}}:
\[ E^o_{\text{Sel}} = E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} – E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} \]
\[ E^o_{\text{Sel}} = 0.80 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E^o_{\text{Ќелија}} = 1.56 \, \text{V} \]
Потоа, пресметајте го вистинскиот потенцијал на ќелијата при дадената концентрација:
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^{+}]^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{0.01}{(0.1)^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – 0.0296 \log \left( \frac{0.01}{0.01} \right) \]
\[ E_{\text{Ќелија}} = 1.56 \, \text{V} \]
Заклучок:
– Реакциите што се случуваат на анодата и катодата остануваат исти
– Потенцијалот на ќелијата со дадена концентрација е 1.56 V
Оваа статија покажува како да се решат неколку видови проблеми во електрохемијата, вклучувајќи проблеми што вклучуваат волтаични ќелии, електролитски ќелии и пресметки со користење на Нернстовата равенка. Темелното разбирање на принципите зад редокс реакциите и способноста за користење на електрохемиски податоци се од суштинско значење за успех во решавањето на овие видови проблеми.
