Электрохимийн хэрэглээний жишээ асуултууд болон хэлэлцүүлэг: Металл бүрэх
Электрохими нь химийн урвал ба цахилгаан гүйдлийн хоорондын хамаарлыг судалдаг химийн салбар юм. Электрохимийн хамгийн түгээмэл бөгөөд ашигтай хэрэглээний нэг бол металл бүрэх буюу электрод байрлуулах явдал юм. Металл бүрэхийг гоёл чимэглэлийн зориулалтаас эхлээд зэврэлтэнд тэсвэртэй бүрэх эсвэл цахилгаан дамжуулах чадварыг сайжруулах гэх мэт олон салбарт ашигладаг.
Энэ нийтлэлд металл бүрэлтэд электрохимийн хэрэглээтэй холбоотой хэд хэдэн жишээ асуудлууд болон тэдгээрийг шийдвэрлэх алхмуудыг авч үзэх болно. Электроджуулалтын үндсэн ойлголтууд болон практик хэрэглээг ойлгох нь энэ салбарын янз бүрийн асуудлыг шийдвэрлэхэд тусална. Энд зарим жишээ асуудлууд байна:
Жишээ Бодлого 1: Зэс дээр мөнгө бүрэх
Асуулт:
Та зэс хуудсыг мөнгөний нитрат (AgNO3) уусмалаар мөнгөөр бүрэхийг хүсэж байна. Зэс хуудас нь 500 грамм жинтэй, 2 ампер цахилгаан ашигладаг бөгөөд бүрэхэд 1 цаг шаардагдана. Зэс хуудсан дээр хэдэн грамм мөнгө бүрэх вэ?
Хэлэлцүүлэг:
1. Ашигласан цахилгаан цэнэгийг тодорхойлно уу:
Ашигласан цахилгаан цэнэгийг (Q) дараах томъёогоор тооцоолж болно.
\[
Q = I \удаа t
\]
Хаана:
– I = цахилгаан гүйдэл (ампер)
– t = хугацаа (секунд)
Цагийг цагаас секунд болгон хөрвүүлэх:
\[
t = 1 \text{ цаг} \times 3600 \text{ секунд/цаг} = 3600 \text{ секунд}
\]
Цахилгаан цэнэгийг тооцоолох:
\[
Q = 2 \text{ A} \times 3600 \text{ s} = 7200 \text{ Кулон}
\]
2. Фарадей гүйдлийг (nF) тооцоолох нь:
Ag+-ийн Ag(s)-тэй мөнгөн бүрэх урвал нь:
\[
\text{Ag}^+ + e^- \rightarrow \text{Ag}
\]
Энэ нь 1 моль мөнгө хуримтлуулахын тулд 1 моль электрон шаардлагатай гэсэн үг юм.
Фарадей тогтмолын утга (F) нь 96485 Кулон/моль электрон юм.
Ашигласан электронуудын молийн тоог тооцоолох нь:
\[
\text{n} = \frac{Q}{F} = \frac{7200 \text{ C}}{96485 \text{ C/моль}} = 0.0746 \text{ моль}
\]
3. Бүрсэн мөнгөний массыг тооцоолох нь:
Ag-ийн молийн массыг (107.87 г/моль) ашиглан мөнгөний массыг дараах байдлаар тооцоолж болно.
\[
\text{Аг-ийн масс} = 0.0746 \text{мол} \удаа 107.87 \text{г/мол} = 8.05 \text{г}
\]
Тэгэхээр зэс хуудсан дээр 8.05 грамм мөнгө бүрэх болно.
Жишээ асуулт 2: Бүрхүүлийн үр ашиг
Асуулт:
Хэрэв өмнөх мөнгөөр бүрэх процесст бүрэх үр ашиг нь ердөө 85% байсан бол зэс хуудсан дээр үнэндээ хэдэн грамм мөнгөөр бүрсэн бэ?
Хэлэлцүүлэг:
1. Мөнгөний массыг үр ашгаар тооцоолох нь:
Үр ашгийг харгалзан үзээгүй бүрсэн мөнгөний масс нь 8.05 грамм байна (1-р жишээ асуултаас).
85%-ийн үр ашигтай үед мөнгөөр бүрсэн материалын бодит масс нь:
\[
\text{Ag-ийн бодит масс} = 8.05 \text{ g} \times 0.85 = 6.84 \text{ g}
\]
Тэгэхээр зэс хуудсан дээр 6.84 грамм мөнгө бүрсэн байна.
Жишээ 3: Бусад металлыг бүрэх
Асуулт:
Хэрэв та NiSO4 уусмал ашиглан никель металлаар объектыг бүрэхийг хүсвэл гүйдэл нь 3 Ампер байвал 10 грамм никель бүрэхэд хэр хугацаа шаардагдах вэ?
Хэлэлцүүлэг:
1. Моль электроны шаардлагыг тодорхойлох нь:
Ni^2+-ийн Ni(s)-тэй никель бүрэх урвал нь:
\[
\text{Ni}^{2+} + 2e^- \баруун сум \text{Ni}
\]
Энэ нь 1 моль никель хуримтлуулахын тулд 2 моль электрон шаардлагатай гэсэн үг юм.
2. Никелийн молийг тооцоолох нь:
Никелийн молийн массыг (58.69 г/моль) ашиглан шаардлагатай никелийн молийн хэмжээ нь:
\[
\text{n (Ni)} = \frac{10 \text{ g}}{58.69 \text{ г/моль}} = 0.1704 \text{ моль Ni}
\]
3. Электроны молекулуудыг тооцоолох нь:
Никелийн нэг молийн хувьд 2 моль электрон шаардлагатай тул:
\[
\text{n (электрон)} = 0.1704 \text{ моль Ni} \times 2 \text{ моль e^-}/\text{ моль Ni} = 0.3408 \text{ моль электронууд}
\]
4. Цахилгаан цэнэгийг тооцоолох:
Фарадей тогтмолыг (F = 96485 C/моль) ашиглан шаардлагатай цахилгаан цэнэг нь:
\[
Q = \text{n (электрон)} \times F = 0.3408 \text{mol} \times 96485 \text{C/mol} = 32872 \text{C}
\]
5. Шаардлагатай хугацааг тооцоолох нь:
3 Ампер гүйдэл (I)-тэй үед шаардагдах хугацаа (t) нь:
\[
t = \frac{Q}{I} = \frac{32872 \text{ C}}{3 \text{ A}} = 10957.33 \text{ секунд}
\]
Секундыг цаг болгон хөрвүүлэх:
\[
t = \frac{10957.33 \text{ s}}{3600 \text{ s/hour}} = 3.04 \text{ hours}
\]
Тэгэхээр 10 грамм никель бүрэхэд шаардагдах хугацаа ойролцоогоор 3.04 цаг байна.
Дүгнэлт
Энэ нийтлэлд бид металл бүрэлтэнд электрохимийн хэрэглээтэй холбоотой хэд хэдэн жишээ асуудлыг хэлэлцсэн. Мөнгө болон никель бүрэлтэд хамаарах алхмуудыг ойлгосноор та электрохимийн практик хэрэглээний талаар илүү тодорхой ойлголттой болж чадна. Ашигласан цахилгаан цэнэгийг тодорхойлох, электроны молийн тоо болон бүрж буй металлын массыг тооцоолох, бүрэх процесст шаардагдах хугацааг тодорхойлох зэрэг үйл явцууд нь энэ салбарт шаардлагатай гол ур чадварууд юм.
Энэ нийтлэл нь металл бүрэх электрохимийн ойлголт, хэрэглээг эзэмшихэд тань тусална гэж найдаж байна.
