Exemple de întrebări și discuții despre celulele electrolitice
O celulă electrolitică este un dispozitiv utilizat pentru a converti energia electrică într-o reacție chimică nespontană, spre deosebire de o celulă voltaică sau o celulă galvanică, care transformă energia chimică în energie electrică. Într-o celulă electrolitică, un curent electric este utilizat pentru a forța o reacție chimică care altfel nu ar avea loc fără energie electrică suplimentară. Acest concept este crucial în diverse aplicații industriale, cum ar fi producerea de metale pure, electroliza apei pentru a produce hidrogen și oxigen și multe altele.
Acest articol va discuta câteva exemple de probleme de electroliză, împreună cu discuțiile aferente, care pot ajuta studenții să înțeleagă mai profund conceptul de celule electrolitice.
Exemplul de întrebare 1: Electroliza soluției de NaCl
Întrebare
O soluție de clorură de sodiu (NaCl) este electrolizată folosind electrozi inerți. Scrieți reacțiile care au loc la catod și anod și produșii formați la fiecare electrod.
Pembahasan
Într-o celulă electrolitică, există doi electrozi: catodul (electrod negativ) și anodul (electrod pozitiv). Electroliza unei soluții de NaCl are loc în două etape: reacția de la catod și reacția de la anod.
1. Reacția la catod:
La catod, ionii implicați sunt ionii de Na^+ și ionii de H_2O. Cu toate acestea, ionii de H_2O se reduc mai ușor decât ionii de Na^+ datorită potențialului lor de reducere mai mare.
Reacția care are loc la catod este:
„`
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Potențial de reducere = -0.83 V)
„`
Produsul obținut la catod este hidrogen gazos (H₂).
2. Reacția la anod:
La anod, ionii implicați sunt ionii de Cl⁻ și ionii de H⁻O. Ionii de Cl⁻ se oxidează mai ușor decât ionii de H⁻O datorită potențialului lor de oxidare mai scăzut.
Reacția care are loc la anod este:
„`
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (Potențial de oxidare = -1.36 V)
„`
Produsul rezultat la anod este clor gazos (Cl₂).
Deci, în electroliza soluției de NaCl, produsul obținut la catod este hidrogen gazos (H₂), iar la anod este clor gazos (Cl₂).
Exemplul de întrebare 2: Electroliza soluției de CuSO₄ cu electrozi de cupru
Întrebare
Electroliza soluției de sulfat de cupru(II) (CuSO₄) a fost efectuată folosind electrozi de cupru. Scrieți reacțiile care au loc la catod și anod și produsele formate la fiecare electrod.
Pembahasan
În acest caz, electrodul nu este inert, ci un electrod de cupru, deci electrodul va reacționa.
1. Reacția la catod:
La catod, ionii de Cu²⁺ de la anod vor fi reduși.
„`
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (Potențial de reducere = +0.34 V)
„`
Produsul obținut la catod este cuprul solid (Cu) care se depune pe electrod.
2. Reacția la anod:
La anod, electrodul de cupru în sine va fi oxidat.
„`
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (Potențial de oxidare = -0.34 V)
„`
Produsul obținut la anod sunt ionii de Cu²⁺.
Deoarece electrodul este din cupru, ionii de Cu²⁺ electrolizați în soluție sunt compensați prin dizolvarea cuprului la electrodul anodic.
Exemplul 3: Masa metalului depus
Întrebare
Într-o celulă electrolitică, 0.2 moli de electroni trec printr-o soluție de CuSO₄. Câte grame de cupru se depun la catod?
Pembahasan
Numărul de moli de electroni (F) care circulă poate fi utilizat pentru a determina numărul de moli de metal depus. Ecuația lui Faraday pentru depunerea de metal este:
\[ n = \frac{Q}{Fz} \]
Unde:
– Q = cantitatea de sarcină (în Coulombs)
– F = constanta lui Faraday (96500 C/mol)
– z = numărul de electroni pe mol de reacție.
În acest caz, Cu²⁺ absoarbe doi electroni pentru a deveni Cu, deci z = 2.
Numărul de moli de cupru depuse este:
\[ n = \frac{0.2 \text{ moli de electroni}}{2} = 0.1 \text{ moli de Cu} \]
Greutatea cuprului depus:
\[ \text{masa de Cu} = n × \text{Mr} \]
unde Mr este masa molară a Cu (63.5 g/mol)
Aşa:
\[ \text{masa de Cu} = 0.1 × 63.5 = 6.35 \text{ grame} \]
Deci, pe catod se vor depune 6.35 grame de cupru.
Exemplul de întrebare 4: Electroliza soluției de KI
Întrebare
Electroliza unei soluții de KI se realizează folosind electrozi inerți. Scrieți reacțiile care au loc la catod și anod și produsele formate la fiecare electrod.
Pembahasan
1. Reacția la catod:
La catod, ionii implicați sunt ionii de K⁺ și H⁺. H⁺ se reduce mai ușor decât ionii de K⁺.
„`
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)
„`
Produsul obținut la catod este hidrogen gazos (H₂).
2. Reacția la anod:
La anod, ionii implicați sunt ionii de I⁻ și H⁻O. Ionii de I⁻ se oxidează mai ușor decât ionii de H⁻O.
„`
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
„`
Produsul obținut la anod este iodul (I₂).
Deci, în electroliza soluției de KI, produsul obținut la catod este hidrogen gazos (H₂), iar la anod este iod (I₂).
Închidere
O înțelegere solidă a principiilor și aplicațiilor celulelor electrolitice este esențială pentru studenții la chimie și profesioniștii din domenii precum metalurgia, producția chimică și industria energetică. Acest articol prezintă câteva exemple de probleme de electroliză și soluțiile acestora pentru a consolida această înțelegere. Se speră că stăpânirea acestor concepte de bază va ajuta la rezolvarea diverselor probleme practice și teoretice întâlnite în lumea reală.
