Príklady otázok Diskusia o elektrochemických článkoch: Pochopenie základov elektrochémie prostredníctvom príkladov otázok
Elektrochémia je odvetvie chémie, ktoré študuje vzťah medzi chemickými reakciami a elektrickým prúdom. V elektrochémii často diskutujeme o dvoch hlavných typoch článkov: galvanických (alebo voltických) článkoch a elektrolytických článkoch. Oba typy článkov využívajú redoxné reakcie na výrobu alebo spotrebu elektriny.
V tomto článku si uvedieme niekoľko príkladov elektrochemických článkov, ktoré nám pomôžu prehĺbiť naše pochopenie tohto konceptu.
1. Otázka: Galvanický článok
Napríklad, vezmime si galvanický článok pozostávajúci zo zinkovej (Zn) elektródy ponorenej v roztoku ZnSO₄ a medenej (Cu) elektródy ponorenej v roztoku CuSO₄. Zapíšte reakcie, ktoré prebiehajú na každej elektróde, ako aj celkovú reakciu v tomto galvanickom článku.
Diskusia:
1. Reakcia na zinkovej elektróde (anóda, oxidácia):
Reakcia: \( Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^- \)
Tu sa zinok oxiduje na zinočnatý ión (Zn²⁺) a uvoľňuje dva elektróny.
2. Reakcia na medenej elektróde (katóda, redukcia):
Reakcia: \( Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s) \)
Tu ióny medi (Cu²⁺) prijmú dva elektróny a redukujú sa na pevnú meď (Cu).
3. Celková reakcia v galvanickom článku:
Spojte tieto dve polovičné reakcie, aby ste získali celkovú reakciu:
\( Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \)
Vo všeobecnosti možno konštatovať, že v galvanických článkoch sa na výrobu elektrického prúdu využíva spontánnosť redoxných reakcií.
2. Otázka: Bunkový potenciál
Pri štandardnom redukčnom potenciáli pre Zn²⁺/Zn = -0,76 V a Cu²⁺/Cu = +0,34 V vypočítajte potenciál galvanického článku, o ktorom sme hovorili predtým.
Diskusia:
Bunkový potenciál (E°_cell) sa dá vypočítať pomocou rovnice:
\[
E°_{bunka} = E°_{katóda} – E°_{anóda}
\]
Dimana:
– Katóda je elektróda, kde dochádza k redukcii (Cu²⁺/Cu s E° = +0.34 V)
– Anóda je elektróda, kde dochádza k oxidácii (Zn²⁺/Zn s E° = -0.76 V)
\[
E°_{sel} = 0.34\, V – (-0.76\, V) = 0.34\, V + 0.76\, V = 1.10\, V
\]
Potenciál galvanického článku je teda 1,10 V.
3. Otázka: Elektrolytický článok
V elektrolytickom článku sa vo vnútri elektrolytického článku s inertnými elektródami pripravuje roztok chloridu sodného (NaCl). Napíšte reakcie, ktoré prebiehajú na každej elektróde.
Diskusia:
V elektrolytickom článku sa elektrina používa na riadenie nespontánnej reakcie. V elektrolytickom článku s roztokom NaCl máme:
1. Reakcia na katóde (redukcia):
\[
2H_2O(l) + 2e^- \šípka doprava H_2(g) + 2OH^-(aq)
\]
Vo väčšine zriedených roztokov NaCl sa voda redukuje skôr ako sodík, pretože redukčný potenciál vody je pozitívnejší (-0.83 V) ako sodíka (-2.71 V).
2. Reakcia na anóde (oxidácia):
\[
2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^-
\]
Na anóde sa chloridové ióny oxidujú na plynný chlór.
3. Celková reakcia:
Spojte reakcie na katóde a anóde pre celkovú reakciu:
\[
2H_2(l) + 2Cl^-(aq) \šípka doprava H_2(g) + Cl_2(g) + 2OH^-(aq)
\]
Pri tejto elektrolýze slanej vody sa spolu so zásaditým roztokom (NaOH) vytvára plynný vodík a plynný chlór v dôsledku interakcie iónov v roztoku.
4. Otázka: Faradayove zákony elektrolýzy
Koľko gramov medi sa vyzráža z roztoku CuSO₄, ak roztokom prechádza prúd 2 faraday?
Diskusia:
Faradayov zákon hovorí, že množstvo látky usadenej na elektróde počas elektrolýzy je úmerné množstvu elektrického prúdu, ktorý ňou prechádza. Hmotnosť látky (m) možno vypočítať pomocou rovnice:
\[
m = \frac{M \cdot Q}{n \cdot F}
\]
Dimana:
– \(m\) je hmotnosť usadenej látky
– \(M\) je molárna hmotnosť látky (pre Cu, M = 63.5 g/mol)
– \(Q\) je množstvo elektrického náboja (v coulomboch, vypočítané ako \(Q = n \cdot F\), kde n je počet faradayov)
– \(n\) je počet molov elektrónov zapojených do reakcie (pre Cu²⁺/Cu, n = 2)
– \(F\) je Faradayova konštanta (96500 C/mol)
S 2 Faradayovým prúdom:
\[
m = \frac{63.5\, g/mol \cdot 2 \cdot 96500\, C}{2 \cdot 96500\, C/mol}
\]
Zjednodušte rovnicu:
\[
m = 63.5 g
\]
Výsledkom bolo, že touto elektrolýzou sa uvoľnilo 63.5 gramu medi.
Záver
Pochopenie elektrochemických článkov si vyžaduje znalosť redoxných reakcií, výpočtov článkového potenciálu a elektrochemickej stechiometrie. Pochopenie príkladov problémov, ako je ten vyššie, je užitočné pri objasňovaní základných konceptov a ich aplikácie v rôznych typoch elektrochemických článkov. Nakoniec pokračujte v precvičovaní rôznych problémov, aby ste si prehĺbili toto pochopenie, najmä pre teoretické aj praktické aplikácie v rôznych oblastiach vedy a priemyslu.
