Voorbeeldvragen en discussie over elektrolytische cellen
Een elektrolytische cel is een apparaat dat elektrische energie omzet in een niet-spontane chemische reactie, in tegenstelling tot een voltaïsche cel of galvanische cel, die chemische energie omzetten in elektrische energie. In een elektrolytische cel wordt een elektrische stroom gebruikt om een chemische reactie af te dwingen die anders niet zou plaatsvinden zonder extra elektrische energie. Dit concept is cruciaal in diverse industriële toepassingen, zoals de productie van zuivere metalen, de elektrolyse van water om waterstof en zuurstof te produceren, en nog veel meer.
Dit artikel bespreekt verschillende voorbeelden van elektrolyseproblemen, samen met de bijbehorende analyses, die studenten kunnen helpen het concept van elektrolytische cellen beter te begrijpen.
Voorbeeldvraag 1: Elektrolyse van een NaCl-oplossing
Pertanyaan
Een natriumchloride (NaCl)-oplossing wordt geëlektrolyseerd met behulp van inerte elektroden. Beschrijf de reacties die plaatsvinden aan de kathode en de anode en de producten die bij elke elektrode worden gevormd.
Discussie
Een elektrolytische cel heeft twee elektroden: de kathode (negatieve elektrode) en de anode (positieve elektrode). De elektrolyse van een NaCl-oplossing vindt plaats in twee fasen: de reactie aan de kathode en de reactie aan de anode.
1. Reactie aan de kathode:
Aan de kathode zijn de betrokken ionen Na⁺-ionen en H₂O-ionen. H₂O-ionen worden echter gemakkelijker gereduceerd dan Na⁺-ionen vanwege hun hogere reductiepotentiaal.
De reactie die aan de kathode plaatsvindt is:
''
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Reductiepotentiaal = -0.83 V)
''
Het product dat aan de kathode wordt geproduceerd, is waterstofgas (H₂).
2. Reactie aan de anode:
Aan de anode zijn de betrokken ionen Cl⁻-ionen en H₂O-ionen. Cl⁻-ionen worden gemakkelijker geoxideerd dan H₂O-ionen vanwege hun lagere oxidatiepotentiaal.
De reactie die aan de anode plaatsvindt is:
''
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (Oxidatiepotentiaal = -1.36 V)
''
Het product dat aan de anode ontstaat, is chloorgas (Cl₂).
Bij de elektrolyse van een NaCl-oplossing wordt aan de kathode waterstofgas (H₂) gevormd en aan de anode chloorgas (Cl₂).
Voorbeeldvraag 2: Elektrolyse van een CuSO₄-oplossing met koperen elektroden
Pertanyaan
Elektrolyse van een koper(II)sulfaat (CuSO₄)-oplossing werd uitgevoerd met behulp van koperen elektroden. Beschrijf de reacties die plaatsvinden aan de kathode en de anode en de producten die bij elke elektrode worden gevormd.
Discussie
In dit geval is de elektrode niet inert, maar een koperen elektrode, dus de elektrode zal reageren.
1. Reactie aan de kathode:
Aan de kathode worden de Cu²⁺-ionen aan de anode gereduceerd.
''
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (Reductiepotentiaal = +0.34 V)
''
Het product dat aan de kathode wordt geproduceerd, is vast koper (Cu) dat op de elektrode wordt afgezet.
2. Reactie aan de anode:
Aan de anode zal de koperen elektrode zelf oxideren.
''
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (Oxidatiepotentieel = -0.34 V)
''
Het product dat aan de anode wordt geproduceerd, zijn Cu²⁺-ionen.
Omdat de elektrode van koper is, worden de in de oplossing geëlektrolyseerde Cu²⁺-ionen gecompenseerd door de oplossing van koper aan de anode-elektrode.
Voorbeeld 3: Massa van afgezet metaal
Pertanyaan
In een elektrolytische cel stroomt 0.2 mol elektronen door een CuSO₄-oplossing. Hoeveel gram koper wordt er aan de kathode afgezet?
Discussie
Het aantal mol elektronen (F) dat stroomt, kan worden gebruikt om het aantal mol afgezet metaal te bepalen. De vergelijking van Faraday voor metaalafzetting is:
\[ n = \frac{Q}{Fz} \]
Waar:
– Q = hoeveelheid lading (in Coulomb)
– F = de constante van Faraday (96500 C/mol)
– z = aantal elektronen per mol reactie.
In dit geval absorbeert Cu²⁺ twee elektronen en wordt Cu, dus z = 2.
Het aantal mol koper dat is afgezet is:
\[ n = \frac{0.2 \text{ mol elektronen}}{2} = 0.1 \text{ mol Cu} \]
Gewicht van het afgezette koper:
\[ \text{massa van Cu} = n \times \text{Mr} \]
waarbij Mr de molaire massa van Cu is (63.5 g/mol)
Dus:
\[ \text{massa van Cu} = 0.1 \times 63.5 = 6.35 \text{ gram} \]
Er zal dus 6.35 gram koper op de kathode worden afgezet.
Voorbeeldvraag 4: Elektrolyse van een KI-oplossing
Pertanyaan
Elektrolyse van een KI-oplossing wordt uitgevoerd met behulp van inerte elektroden. Beschrijf de reacties die plaatsvinden aan de kathode en de anode en de producten die bij elke elektrode worden gevormd.
Discussie
1. Reactie aan de kathode:
Aan de kathode zijn de betrokken ionen K⁺- en H₂O-ionen. H₂O-ionen worden gemakkelijker gereduceerd dan K⁺-ionen.
''
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)
''
Het product dat aan de kathode wordt geproduceerd, is waterstofgas (H₂).
2. Reactie aan de anode:
Aan de anode zijn de betrokken ionen I⁻ en H₂O-ionen. I⁻-ionen worden gemakkelijker geoxideerd dan H₂O-ionen.
''
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
''
Het product dat aan de anode wordt geproduceerd, is jodium (I₂).
Bij de elektrolyse van een KI-oplossing wordt aan de kathode waterstofgas (H₂) gevormd en aan de anode jodium (I₂).
Sluitend
Een gedegen begrip van de principes en toepassingen van elektrolytische cellen is essentieel voor scheikundestudenten en professionals in vakgebieden zoals metallurgie, chemische productie en de energie-industrie. Dit artikel presenteert verschillende voorbeeldproblemen met betrekking tot elektrolyse en hun oplossingen om dit begrip te versterken. De hoop is dat het beheersen van deze basisconcepten zal helpen bij het oplossen van diverse praktische en theoretische problemen die zich in de praktijk voordoen.
