Contoh Soalan dan Perbincangan Sel Elektrolitik
Sel elektrolitik ialah peranti yang digunakan untuk menukar tenaga elektrik kepada tindak balas kimia yang tidak spontan, tidak seperti sel volta atau sel galvanik, yang menukar tenaga kimia kepada tenaga elektrik. Dalam sel elektrolitik, arus elektrik digunakan untuk memaksa tindak balas kimia yang tidak akan berlaku tanpa tenaga elektrik tambahan. Konsep ini penting dalam pelbagai aplikasi perindustrian seperti penghasilan logam tulen, elektrolisis air untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen, dan banyak lagi.
Artikel ini akan membincangkan beberapa contoh masalah elektrolisis berserta perbincangannya yang dapat membantu pelajar memahami konsep sel elektrolisis dengan lebih mendalam.
Contoh Soalan 1: Elektrolisis Larutan NaCl
Soalan
Larutan natrium klorida (NaCl) dielektrolisis menggunakan elektrod lengai. Tuliskan tindak balas yang berlaku di katod dan anod serta hasil yang terbentuk pada setiap elektrod.
Perbincangan
Dalam sel elektrolitik, terdapat dua elektrod: katod (elektrod negatif) dan anod (elektrod positif). Elektrolisis larutan NaCl berlaku dalam dua peringkat: tindak balas di katod dan tindak balas di anod.
1. Tindak Balas di Katod:
Di katod, ion yang terlibat ialah ion Na^+ dan ion H_2O. Walau bagaimanapun, ion H_2O lebih mudah diturunkan daripada ion Na^+ disebabkan oleh potensi penurunannya yang lebih tinggi.
Tindak balas yang berlaku di katod ialah:
""
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Potensi penurunan = -0.83 V)
""
Produk yang dihasilkan di katod ialah gas hidrogen (H₂).
2. Tindak Balas di Anod:
Di anod, ion yang terlibat ialah ion Cl⁻ dan ion H_2O. Ion Cl⁻ lebih mudah dioksidakan daripada ion H_2O disebabkan oleh potensi pengoksidaannya yang lebih rendah.
Tindak balas yang berlaku di anod ialah:
""
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (Potensi pengoksidaan = -1.36 V)
""
Produk yang dihasilkan di anod ialah gas klorin (Cl₂).
Jadi, dalam elektrolisis larutan NaCl, produk yang dihasilkan di katod ialah gas hidrogen (H₂) dan di anod ialah gas klorin (Cl₂).
Contoh Soalan 2: Elektrolisis Larutan CuSO₄ dengan Elektrod Kuprum
Soalan
Elektrolisis larutan kuprum(II) sulfat (CuSO₄) telah dijalankan menggunakan elektrod kuprum. Tuliskan tindak balas yang berlaku di katod dan anod serta hasil yang terbentuk pada setiap elektrod.
Perbincangan
Dalam kes ini, elektrod bukanlah lengai, tetapi elektrod kuprum, jadi elektrod akan bertindak balas.
1. Tindak Balas di Katod:
Di katod, ion Cu²⁺ di anod akan terturun.
""
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (Potensi pengurangan = +0.34 V)
""
Produk yang dihasilkan di katod ialah kuprum pepejal (Cu) yang termendap pada elektrod.
2. Tindak Balas di Anod:
Di anod, elektrod kuprum itu sendiri akan teroksida.
""
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (Keupayaan pengoksidaan = -0.34 V)
""
Produk yang dihasilkan di anod ialah ion Cu²⁺.
Oleh kerana elektrod tersebut diperbuat daripada kuprum, ion Cu²⁺ yang dielektrolisiskan dalam larutan dikompensasikan oleh pelarutan kuprum pada elektrod anod.
Contoh 3: Jisim Logam Termendap
Soalan
Dalam sel elektrolitik, 0.2 mol elektron mengalir melalui larutan CuSO₄. Berapa gram kuprum yang termendap di katod?
Perbincangan
Bilangan mol elektron (F) yang mengalir boleh digunakan untuk menentukan bilangan mol logam yang dimendapkan. Persamaan Faraday untuk pemendapan logam ialah:
\[ n = \frac{Q}{Fz} \]
Di mana:
– Q = jumlah cas (dalam Coulomb)
– F = pemalar Faraday (96500 C/mol)
– z = bilangan elektron setiap mol tindak balas.
Dalam kes ini, Cu²⁺ menyerap dua elektron untuk menjadi Cu, jadi z = 2.
Bilangan mol kuprum yang termendap ialah:
\[ n = \frac{0.2 \text{ mol elektron}}{2} = 0.1 \text{ mol Cu} \]
Berat kuprum yang dimendapkan:
\[ \text{jisim Cu} = n \times \text{Mr} \]
di mana Mr ialah jisim molar Cu (63.5 g/mol)
Jadi:
\[ \text{jisim Cu} = 0.1 \times 63.5 = 6.35 \text{ gram} \]
Jadi, 6.35 gram kuprum akan termendap pada katod.
Contoh Soalan 4: Elektrolisis Larutan KI
Soalan
Elektrolisis larutan KI dilakukan menggunakan elektrod lengai. Tuliskan tindak balas yang berlaku di katod dan anod serta hasil yang terbentuk pada setiap elektrod.
Perbincangan
1. Tindak Balas di Katod:
Di katod, ion yang terlibat ialah ion K⁺ dan H_2O. H_2O lebih mudah direduksi daripada ion K⁺.
""
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)
""
Produk yang dihasilkan di katod ialah gas hidrogen (H₂).
2. Tindak Balas di Anod:
Di anod, ion yang terlibat ialah ion I⁻ dan H_2O. Ion I⁻ lebih mudah dioksidakan daripada ion H_2O.
""
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
""
Produk yang dihasilkan di anod ialah iodin (I₂).
Jadi, dalam elektrolisis larutan KI, produk yang dihasilkan di katod ialah gas hidrogen (H₂) dan di anod ialah iodin (I₂).
penutup
Pemahaman yang kukuh tentang prinsip dan aplikasi sel elektrolitik adalah penting untuk pelajar kimia dan profesional dalam bidang seperti metalurgi, pengeluaran kimia dan industri tenaga. Artikel ini membentangkan beberapa contoh masalah elektrolisis dan penyelesaiannya untuk membantu mengukuhkan pemahaman ini. Diharapkan penguasaan konsep asas ini akan membantu menyelesaikan pelbagai masalah praktikal dan teori yang dihadapi dalam dunia sebenar.
