Примерни прашања Дискусија за електрохемиските ќелии: Разбирање на основите на електрохемијата преку примерни прашања
Електрохемијата е гранка на хемијата што ја проучува врската помеѓу хемиските реакции и електричната струја. Во електрохемијата, често дискутираме за два главни типа на ќелии: галвански (или волтаични) ќелии и електролитички ќелии. И двата типа на ќелии користат редокс реакции за да генерираат или користат електрична енергија.
Во оваа статија, ќе разгледаме неколку примери на електрохемиски ќелии што ќе ни помогнат да го продлабочиме нашето разбирање на овој концепт.
1. Прашање: Галванска ќелија
На пример, да земеме галванска ќелија која се состои од цинкова (Zn) електрода потопена во раствор од ZnSO₄ и бакарна (Cu) електрода потопена во раствор од CuSO₄. Запишете ги реакциите што се случуваат на секоја електрода, како и целокупната реакција во оваа галванска ќелија.
Пембахасан:
1. Реакција на цинковата електрода (анода, оксидација):
Реакција: \( Zn(s) \десна стрелка Zn^{2+}(aq) + 2e^- \)
Тука, цинкот се оксидира до цинков јон (Zn²⁺) и ослободува два електрони.
2. Реакција на бакарна електрода (катода, редукција):
Реакција: \( Cu^{2+}(aq) + 2e^- \десно стрелка Cu(s) \)
Тука, бакарните јони (Cu²⁺) прифаќаат два електрони и се редуцираат до цврст бакар (Cu).
3. Вкупна реакција во галванска ќелија:
Комбинирајте ги овие две полуреакции за да ја добиете вкупната реакција:
\( Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \) стрелка надесно Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \)
Генерално, може да се заклучи дека во галванските ќелии, спонтаноста на редокс реакциите се користи за производство на електрична струја.
2. Прашање: Клеточен потенцијал
Даден е стандардниот редукциски потенцијал за Zn²⁺/Zn = -0,76 V и Cu²⁺/Cu = +0,34 V. Пресметајте го потенцијалот на ќелијата на галванската ќелија дискутирана претходно.
Пембахасан:
Потенцијалот на ќелијата (E°_ќелија) може да се пресмета со помош на равенката:
\[
E°_{ќелија} = E°_{катода} - E°_{анода}
\]
Димана:
– Катодата е електродата каде што се случува редукција (Cu²⁺/Cu со E° = +0.34 V)
– Анодата е електродата каде што се случува оксидација (Zn²⁺/Zn со E° = -0.76 V)
\[
E°_{sel} = 0.34\, V - (-0.76\, V) = 0.34\, V + 0.76\, V = 1.10\, V
\]
Така, потенцијалот на ќелијата на галванската ќелија е 1,10 V.
3. Прашање: Електролитичка ќелија
Во електролитска ќелија, раствор од натриум хлорид (NaCl) се подготвува во електролитската ќелија со инертни електроди. Напишете ги реакциите што се случуваат на секоја електрода.
Пембахасан:
Во електролитска ќелија, електричната енергија се користи за да се предизвика неспонтана реакција. Во електролитска ќелија со раствор од NaCl, имаме:
1. Реакција на катодата (редукција):
\[
2H_2O(l) + 2e^- \десна стрелка H_2(g) + 2OH^-(aq)
\]
Во повеќето разредени раствори на NaCl, водата ќе се редуцира пред натриумот бидејќи редукцискиот потенцијал на водата е попозитивен (-0.83 V) отколку на натриумот (-2.71 V).
2. Реакција на анодата (оксидација):
\[
2Cl^-(aq) \десна стрелка Cl_2(g) + 2e^-
\]
На анодата, хлоридните јони се оксидираат во гас од хлор.
3. Вкупна реакција:
Комбинирајте ги реакциите на катодата и анодата за да ја добиете целосната реакција:
\[
2H_2O(l) + 2Cl^-(aq) \десна стрелка H_2(g) + Cl_2(g) + 2OH^-(aq)
\]
При оваа електролиза со солена вода, водородниот гас и хлорниот гас се создаваат заедно со основниот раствор (NaOH) поради интеракцијата на јоните во растворот.
4. Прашање: Фарадееви закони за електролиза
Колку грама бакар се таложат од раствор од CuSO₄ ако низ растворот се пропушта струја од 2 фарадева?
Пембахасан:
Фарадеевиот закон наведува дека количината на супстанција наталожена на електрода за време на електролизата е пропорционална на количината на електрична струја што поминува низ неа. Масата на супстанцијата (m) може да се пресмета со помош на равенката:
\[
m = \frac{M \cdot Q}{n \cdot F}
\]
Димана:
– \(m\) е масата на таложената супстанција
– \(M\) е моларната маса на супстанцијата (за Cu, M = 63.5 g/mol)
– \(Q\) е количината на електричен полнеж (во кулони, пресметано како \(Q = n \cdot F\), каде што n е бројот на фарадеви)
– \(n\) е бројот на молови електрони вклучени во реакцијата (за Cu²⁺/Cu, n = 2)
– \(F\) е Фарадеева константа (96500 C/mol)
Со 2 фарадееви струи:
\[
m = \frac{63.5\, g/mol \cdot 2 \cdot 96500\, C}{2 \cdot 96500\, C/mol}
\]
Поедноставете ја равенката:
\[
м = 63.5\, г
\]
Резултатот беше дека 63.5 грама бакар беа таложени преку оваа електролиза.
Заклучок
Разбирањето на електрохемиските ќелии бара познавање на редокс реакциите, пресметките на потенцијалот на ќелиите и електрохемиската стехиометрија. Разбирањето на примерите на проблеми како оној погоре е корисно за разјаснување на основните концепти и нивната примена во различни типови електрохемиски ќелии. Конечно, продолжете да вежбате со различни проблеми за да го продлабочите ова разбирање, особено и за теоретските и за практичните примени во различни области на науката и индустријата.
