Eksempelspørsmål og diskusjon om elektrolytiske celler
En elektrolysecelle er en enhet som brukes til å omdanne elektrisk energi til en ikke-spontan kjemisk reaksjon, i motsetning til en voltaisk celle eller galvanisk celle, som omdanner kjemisk energi til elektrisk energi. I en elektrolysecelle brukes en elektrisk strøm til å tvinge frem en kjemisk reaksjon som ellers ikke ville skjedd uten ekstra elektrisk energi. Dette konseptet er avgjørende i ulike industrielle applikasjoner som produksjon av rene metaller, elektrolyse av vann for å produsere hydrogen og oksygen, og mye mer.
Denne artikkelen vil diskutere flere eksempler på elektrolyseproblemer sammen med diskusjoner som kan hjelpe elevene å forstå konseptet elektrolyseceller dypere.
Eksempelspørsmål 1: Elektrolyse av NaCl-løsning
Spørsmål
En natriumkloridløsning (NaCl) elektrolyseres ved bruk av inerte elektroder. Skriv reaksjonene som skjer ved katoden og anoden og produktene som dannes ved hver elektrode.
Diskusjon
I en elektrolysecelle er det to elektroder: katoden (negativ elektrode) og anoden (positiv elektrode). Elektrolysen av en NaCl-løsning skjer i to trinn: reaksjonen ved katoden og reaksjonen ved anoden.
1. Reaksjon ved katoden:
Ved katoden er de involverte ionene Na^+-ioner og H_2O-ioner. H_2O-ioner reduseres imidlertid lettere enn Na^+-ioner på grunn av deres høyere reduksjonspotensial.
Reaksjonen som skjer ved katoden er:
“
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Reduksjonspotensial = -0.83 V)
“
Produktet som produseres ved katoden er hydrogengass (H₂).
2. Reaksjon ved anoden:
Ved anoden er de involverte ionene Cl⁻-ioner og H_2O-ioner. Cl⁻-ioner oksideres lettere enn H_2O-ioner på grunn av deres lavere oksidasjonspotensial.
Reaksjonen som skjer ved anoden er:
“
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (Oksidasjonspotensial = -1.36 V)
“
Produktet som produseres ved anoden er klorgass (Cl₂).
Så, i elektrolysen av NaCl-løsning er produktet som produseres ved katoden hydrogengass (H₂) og ved anoden klorgass (Cl₂).
Eksempelspørsmål 2: Elektrolyse av CuSO₄-løsning med kobberelektroder
Spørsmål
Elektrolyse av kobber(II)sulfat (CuSO₄)-løsning ble utført ved bruk av kobberelektroder. Skriv reaksjonene som skjer ved katoden og anoden og produktene som dannes ved hver elektrode.
Diskusjon
I dette tilfellet er ikke elektroden inert, men en kobberelektrode, så elektroden vil reagere.
1. Reaksjon ved katoden:
Ved katoden vil Cu²⁺-ionene ved anoden bli redusert.
“
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (reduksjonspotensial = +0.34 V)
“
Produktet som produseres ved katoden er fast kobber (Cu) som avsettes på elektroden.
2. Reaksjon ved anoden:
Ved anoden vil selve kobberelektroden bli oksidert.
“
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (oksidasjonspotensial = -0.34 V)
“
Produktet som produseres ved anoden er Cu²⁺-ioner.
Fordi elektroden er kobber, kompenseres Cu²⁺-ionene som elektrolyseres i løsningen av oppløsningen av kobber ved anodeelektroden.
Eksempel 3: Masse av avsatt metall
Spørsmål
I en elektrolysecelle strømmer 0.2 mol elektroner gjennom en CuSO₄-løsning. Hvor mange gram kobber avsettes ved katoden?
Diskusjon
Antall mol elektroner (F) som strømmer kan brukes til å bestemme antall mol metall som er avsatt. Faradays ligning for metallavsetning er:
\[ n = \frac{Q}{Fz} \]
Hvor:
– Q = ladningsmengde (i Coulomb)
– F = Faradays konstant (96500 C/mol)
– z = antall elektroner per mol reaksjon.
I dette tilfellet absorberer Cu²⁺ to elektroner og blir Cu, så z = 2.
Antall mol kobber som er avsatt er:
[n = 0.2 mol elektroner/2 = 0.1 mol Cu]
Vekt av kobber som er avsatt:
\[ \text{masse av Cu} = n \times \text{Mr} \]
hvor Mr er molmassen til Cu (63.5 g/mol)
Så:
\[ \text{masse av Cu} = 0.1 \times 63.5 = 6.35 \text{ gram} \]
Så vil 6.35 gram kobber bli avsatt på katoden.
Eksempelspørsmål 4: Elektrolyse av KI-løsning
Spørsmål
Elektrolyse av en KI-løsning utføres ved bruk av inerte elektroder. Skriv reaksjonene som skjer ved katoden og anoden og produktene som dannes ved hver elektrode.
Diskusjon
1. Reaksjon ved katoden:
Ved katoden er de involverte ionene K⁺- og H⁺-ioner. H⁺-O reduseres lettere enn K⁺-ioner.
“
2H2O(l) + 2e⁻ → H2(g) + 2OH⁻(aq)
“
Produktet som produseres ved katoden er hydrogengass (H₂).
2. Reaksjon ved anoden:
Ved anoden er de involverte ionene I⁻- og H_2O-ioner. I⁻-ioner oksideres lettere enn H_2O-ioner.
“
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
“
Produktet som produseres ved anoden er jod (I₂).
Så, i elektrolysen av KI-løsningen, er produktet som produseres ved katoden hydrogengass (H₂), og ved anoden er jod (I₂).
Lukking
En solid forståelse av prinsippene og anvendelsene av elektrolyseceller er viktig for kjemistudenter og fagfolk innen felt som metallurgi, kjemisk produksjon og energiindustrien. Denne artikkelen presenterer flere eksempler på elektrolyseproblemer og deres løsninger for å bidra til å forsterke denne forståelsen. Det er håpet at mestring av disse grunnleggende konseptene vil bidra til å løse ulike praktiske og teoretiske problemer som oppstår i den virkelige verden.
