Vzorové otázky a diskusia o elektrochemických aplikáciách
Elektrochémia je odvetvie chémie, ktoré študuje vzťah medzi chemickými reakciami a elektrinou. V každodennom živote sa elektrochémia uplatňuje v rôznych oblastiach, ako sú batérie, senzory, korózia a procesy galvanického pokovovania. Pre lepšie pochopenie tejto problematiky uvádzame niekoľko príkladov problémov a diskusií týkajúcich sa aplikácií elektrochémie.
Príklad otázky 1: Galvanická batéria (fotovoltický článok)
Otázka:
Galvanický článok je vyrobený zo Zn (zinkových) a Cu (medených) elektród ponorených do roztokov ZnSO₄ a CuSO₄. Štandardný elektródový potenciál pre Zn²⁺/Zn je -0,76 V a pre Cu²⁺/Cu je +0,34 V. Vypočítajte napätie článku (E° článku) galvanického článku.
Diskusia:
1. Určte polbunkovú reakciu:
– Polčlánková reakcia pre zinok (Zn):
\[
Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-
\]
– Polčlánková reakcia pre meď (Cu):
\[
Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu
\]
2. Identifikácia anódy a katódy:
– Anóda (oxidácia): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (negatívnejšia, -0.76 V)
– Katóda (redukcia): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (kladnejšia, +0.34 V)
3. Výpočet napätia článku (článku E°):
– Vzorec pre štandardné napätie článku:
\[
E°_{\text{bunka}} = E°_{\text{katóda}} – E°_{\text{anóda}}
\]
S:
\[
E°_{\text{katóda}} = +0,34 \text{V}
\]
\[
E°_{\text{anóda}} = -0,76 \text{V}
\]
– Takže, napätie článku:
\[
E°_{\text{sel}} = 0.34 \text{V} – (-0.76 \text{V}) = 1.10 \text{V}
\]
Príklad otázky 2: Elektrolýza roztoku NaCl
Otázka:
Pri elektrolýze roztoku NaCl (aq) s použitím inertných elektród určte plyny vznikajúce na anóde a katóde. Taktiež zapíšte reakcie, ktoré prebiehajú na každej elektróde.
Diskusia:
1. Reakcia na elektróde:
– Katóda (redukcia):
Ióny, ktoré môžu byť zapojené, sú Na⁺ a H₂O.
Redukčné reakcie, ktoré sa zvyčajne vyskytujú, sú:
\[
2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 (g) + 2OH^-
\]
Takže plyn produkovaný na katóde je \( H_2 \).
– Anóda (oxidácia):
Ióny, ktoré môžu byť zapojené, sú Cl⁻ a H₂O.
Oxidačné reakcie, ktoré sa zvyčajne vyskytujú, sú:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
Takže plyn produkovaný na anóde je \( Cl_2 \).
2. Celková reakcia:
– Reakcia na katóde:
\[
2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 (g) + 2OH^-
\]
– Reakcia na anóde:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
– Celková reakcia:
\[
2H_2O + 2Cl^- \rightarrow H_2 (g) + Cl_2 (g) + 2OH^-
\]
Príklad otázky 3: Proces galvanického pokovovania
Otázka:
Vypočítajte hmotnosť striebra (Ag) naneseného na katódu aplikovaním elektrického prúdu 0,5 A počas 2 hodín v roztoku AgNO₃. Molárna hmotnosť striebra je 107,87 g/mol a 1 Faradayova jednotka zodpovedá 96 485 C/mol e⁻.
Diskusia:
1. Určte celkový elektrický náboj (Q):
– Prúd (I) = 0.5 A
– Čas (t) = 2 hodiny = 2 × 3600 sekúnd = 7200 sekúnd
– Celkový elektrický náboj (Q) sa vypočíta pomocou vzorca:
\[
Q = I krát t
\]
- Takže:
\[
Q = 0.5 \text{ A} \krát 7200 \text{ s} = 3600 \text{ C}
\]
2. Výpočet počtu molov elektrónov (n):
– 1 mol elektrónov = 96.485 C
– Počet dodaných molov elektrónov:
\[
n = \frac{3600 \text{ C}}{96.485 \text{ C/mol}} \približne 0.0373 \text{ mol}
\]
3. Určenie hmotnosti naneseného striebra:
– Redukčná reakcia na katóde:
\[
Ag^+ + e^- \rightarrow Ag \text{ (s)}
\]
– 1 mol elektrónov produkuje 1 mol Ag
– Počet mólov naneseného Ag:
\[
0.0373 mol Ag
\]
– Použitím molárnej hmotnosti Ag (107,87 g/mol):
\[
\text{Hmotnosť Ag} = 0.0373 \text{ mol} \krát 107.87 \text{ g/mol} \približne 4.02 \text{ g}
\]
Hmotnosť striebra naneseného na katóde je teda približne 4.02 gramu.
Príklad otázky 4: Korózia
Otázka:
Opíšte proces korózie železa vo vlhkom prostredí a napíšte chemické reakcie, ktoré pri tom prebiehajú.
Diskusia:
1. Fázy korózie:
– Reakcia na anóde:
Železo sa oxiduje na železité ióny:
\[
Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-
\]
– Reakcia na katóde:
Kyslík vo vzduchu reaguje s vodou a elektrónmi z anódy:
\[
O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O
\]
V neutrálnom nekyslom prostredí je pravdepodobnejšia reakcia:
\[
O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-
\]
2. Tvorba hydroxidu železa:
– Ióny Fe²⁺ sa spájajú s iónmi OH⁻ a tvoria Fe(OH)₂:
\[
Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2
\]
3. Tvorba hrdze:
– Ďalšia oxidácia Fe(OH)₂ vytvára Fe(OH)₃, ktoré pri schnutí vytvára hrdzu (Fe₂O₃.nH₂O):
\[
4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3
\]
– Fe(OH)₃ sa môže stratou vody zmeniť na Fe₂O₃:
\[
2Fe(OH)_3 \vpravo Fe_2O_3 + 3H_2O
\]
Tento proces demonštruje, ako železo koroduje prostredníctvom série elektrochemických reakcií. Znalosť korózie je nevyhnutná pre udržanie trvanlivosti kovových materiálov v budovách a infraštruktúre.
Dúfame, že pochopením vyššie uvedených príkladových otázok a diskusií získajú čitatelia jasnejší obraz o praktickom uplatnení elektrochemických princípov v každodennom živote.
