Príklad diskusných otázok o elektrochémii
Elektrochémia je odvetvie chémie, ktoré študuje vzťah medzi chemickými reakciami a zmenami elektrickej energie. V elektrochémii existujú dva hlavné pojmy: oxidácia (uvoľňovanie elektrónov) a redukcia (získavanie elektrónov). Tieto procesy možno pozorovať v dvoch typoch elektrochemických článkov: galvanických článkoch a elektrolytických článkoch. Nižšie sú uvedené niektoré príklady problémov a ich vysvetlenia, ktoré vám pomôžu pochopiť elektrochémiu.
Príklad otázky 1: Voltový článok
Otázka:
Daný je fotovoltický článok so zinkovými (Zn) a medenými (Cu) elektródami spojenými soľným mostíkom. Zn je ponorený do 1 M roztoku ZnSO4 a Cu je ponorená do 1 M roztoku CuSO4. Napíšte reakcie, ktoré prebiehajú na každej elektróde, a vypočítajte rozdiel potenciálov (EMF) fotovoltického článku. Štandardné údaje o potenciáloch elektród:
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]
Diskusia:
Prvým krokom je určenie redoxnej reakcie, ktorá prebieha. V galvanickom článku dochádza k spontánnej redoxnej reakcii tam, kde
– Zinok (Zn) podlieha oxidácii:
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Meď (Cu) podlieha redukcii:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
Celková redoxná reakcia vo fotovoltaickom článku je:
\[ \text{Zn(s)} + \text{Cu}^{2+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + \text{Cu(s)} \]
Ďalej vypočítame rozdiel potenciálov buniek:
\[ E_{\text{bunka}} = E^o_{\text{katóda}} – E^o_{\text{anóda}} \]
Dimana:
– Katóda je elektróda, kde dochádza k redukcii (Cu).
– Anóda je elektróda, kde dochádza k oxidácii (Zn).
Takže,
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \text{V} – (-0.76 \text{V}) \]
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} = 1.10 \, \text{V} \]
Kesimpulan:
– Reakcia, ktorá prebieha na anóde (Zn):
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Reakcia, ktorá prebieha na katóde (Cu):
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
– Rozdiel potenciálov článku (EMF): 1.10 V
-
Príklad otázky 2: Elektrolytický článok
Otázka:
Pri elektrolýze roztoku NaCl uveďte reakcie, ktoré prebiehajú na katóde a anóde, ak sa použije inertná elektróda, napríklad platina (Pt). Vypočítajte celkový náboj potrebný na výrobu 1 gramu Cl2. (Ar Cl = 35.5)
Diskusia:
Prvým krokom je zapísať reakcie, ktoré prebiehajú na každej elektróde v roztoku NaCl.
– Na katóde (redukcia):
V tomto procese sa ióny H+ z vody redukujú:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \šípka doprava H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– Na anóde (oxidácia):
Ión Cl- sa oxiduje a zmení sa na plynný Cl2:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
Celková reakcia:
Celková reakcia, ktorá prebieha pri elektrolýze roztoku NaCl, je teda:
\[ 2NaCl(aq) + 2H_2O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H_2(g) + Cl_2(g) \]
Na výpočet náboja potrebného na výrobu 1 gramu Cl2 musíme určiť počet molov Cl2:
\[ \text{Hmotnosť Cl}_2 = 1 \text{ gram} \]
\[ \text{ArCl}_2 = 2 \krát 35.5 = 71 \text{ gram/mol} \]
\[ \text{Počet molov Cl}_2 = \frac{1}{71} \text{ mol} \]
Na základe reakčnej rovnice na anóde sa z 2 molov elektrónov vytvorí 1 mol Cl2:
\[ 2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^- \]
Inými slovami, 1 mol Cl2 vyžaduje 2 moly elektrónov.
Počet molov elektrónov:
\[ \text{Počet molov elektrónov} = 2 \krát \frac{1}{71} = \frac{2}{71} \text{ mol} \]
Požadovaný náboj možno vypočítať pomocou Faradayovej hodnoty (F = 96485 C/mol e^-):
\[ Q = n \krát F \]
\[ Q = \left(\frac{2}{71} \text{ mol}\right) \krát 96485 \text{ C/mol} \]
\[ Q = 2718 \text{ C} \]
Kesimpulan:
– Reakcia na katóde:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \šípka doprava H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– Reakcia na anóde:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
– Celkový náboj potrebný na výrobu 1 gramu Cl2 je 2718 C.
-
Príklad 3: Nernstov vzťah a neštandardné podmienky
Otázka:
Vypočítajte potenciál galvanického článku vyrobeného z elektród Ag/Ag+ s koncentráciou iónov striebra 0.1 M a elektród Zn/Zn2+ s koncentráciou 0.01 M. Štandardný elektródový potenciál je:
\[ E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} = +0.80 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
Diskusia:
Prvým krokom je zapísať reakcie, ktoré prebiehajú:
– Oxidácia na anóde (Zn):
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Redukcia na katóde (Ag):
\[ \text{Ag}^{+} (aq) + e^- \rightarrow \text{Ag (s)} \]
Celková reakcia:
\[ \text{Zn (s)} + 2\text{Ag}^{+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2\text{Ag (s)} \]
Na základe Nernstovej rovnice:
\[ E_{\text{Bunka}} = E^o_{\text{Bunka}} – \left( \frac{0.0592}{n} \right) \log \left( \frac{[\text{produkt}]}{[\text{reaktant}]} \right) \]
Dimana:
\[n = 2 \]
Najprv vypočítajte E^o_{\text{Sel}}:
\[ E^o_{\text{Sel}} = E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} – E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} \]
\[ E^o_{\text{Sel}} = 0.80 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E^o_{\text{Bunka}} = 1.56 \, \text{V} \]
Ďalej vypočítajte skutočný bunkový potenciál pri danej koncentrácii:
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^{+}]^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{0.01}{(0.1)^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – 0.0296 \log \left( \frac{0.01}{0.01} \right) \]
\[ E_{\text{Bunka}} = 1.56 \, \text{V} \]
Kesimpulan:
– Reakcie, ktoré prebiehajú na anóde a katóde, zostávajú rovnaké
– Potenciál bunky pri danej koncentrácii je 1.56 V
Tento článok ukazuje, ako riešiť niekoľko typov problémov v elektrochémii, vrátane problémov týkajúcich sa fotovoltických článkov, elektrolytických článkov a výpočtov pomocou Nernstovej rovnice. Dôkladné pochopenie princípov redoxných reakcií a schopnosť používať elektrochemické údaje sú nevyhnutné pre úspešné riešenie týchto typov problémov.
