Príklady otázok a diskusia o elektrolytických článkoch
Elektrolytický článok je zariadenie používané na premenu elektrickej energie na nespontánnu chemickú reakciu, na rozdiel od galvanického článku alebo fotovoltického článku, ktoré premieňajú chemickú energiu na elektrickú energiu. V elektrolytickom článku sa elektrický prúd používa na vynútenie chemickej reakcie, ktorá by inak bez dodatočnej elektrickej energie neprebehla. Táto koncepcia je kľúčová v rôznych priemyselných aplikáciách, ako je výroba čistých kovov, elektrolýza vody na výrobu vodíka a kyslíka a mnoho ďalších.
Tento článok sa bude venovať niekoľkým príkladom problémov s elektrolýzou spolu s ich diskusiami, ktoré môžu študentom pomôcť hlbšie pochopiť koncept elektrolytických článkov.
Príklad otázky 1: Elektrolýza roztoku NaCl
Otázka
Roztok chloridu sodného (NaCl) sa elektrolyzuje pomocou inertných elektród. Opíšte reakcie, ktoré prebiehajú na katóde a anóde, a produkty, ktoré vznikajú na každej elektróde.
Diskusia
V elektrolytickom článku sú dve elektródy: katóda (záporná elektróda) a anóda (kladná elektróda). Elektrolýza roztoku NaCl prebieha v dvoch fázach: reakcia na katóde a reakcia na anóde.
1. Reakcia na katóde:
Na katóde sú zapojené ióny ióny Na^+ a ióny H_2O. Ióny H_2O sa však redukujú ľahšie ako ióny Na^+ kvôli ich vyššiemu redukčnému potenciálu.
Reakcia, ktorá prebieha na katóde, je:
"`
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Redukčný potenciál = -0.83 V)
"`
Produktom produkovaným na katóde je plynný vodík (H₂).
2. Reakcia na anóde:
Na anóde sú prítomné ióny ióny Cl⁻ a ióny H_2O. Ióny Cl⁻ sa oxidujú ľahšie ako ióny H_2O kvôli ich nižšiemu oxidačnému potenciálu.
Reakcia, ktorá prebieha na anóde, je:
"`
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (Oxidačný potenciál = -1.36 V)
"`
Produktom produkovaným na anóde je plynný chlór (Cl₂).
Pri elektrolýze roztoku NaCl je teda produktom produkovaným na katóde plynný vodík (H₂) a na anóde plynný chlór (Cl₂).
Príklad otázky 2: Elektrolýza roztoku CuSO₄ s medenými elektródami
Otázka
Elektrolýza roztoku síranu meďnatého (CuSO₄) sa uskutočnila pomocou medených elektród. Napíšte reakcie, ktoré prebiehajú na katóde a anóde, a produkty, ktoré vznikajú na každej elektróde.
Diskusia
V tomto prípade elektróda nie je inertná, ale medená, takže elektróda bude reagovať.
1. Reakcia na katóde:
Na katóde sa ióny Cu²⁺ na anóde redukujú.
"`
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (redukčný potenciál = +0.34 V)
"`
Produktom produkovaným na katóde je pevná meď (Cu), ktorá sa ukladá na elektróde.
2. Reakcia na anóde:
Na anóde sa samotná medená elektróda oxiduje.
"`
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (Oxidačný potenciál = -0.34 V)
"`
Produktom produkovaným na anóde sú ióny Cu²⁺.
Pretože elektróda je medená, ióny Cu²⁺ elektrolyzované v roztoku sú kompenzované rozpúšťaním medi na anódovej elektróde.
Príklad 3: Hmotnosť naneseného kovu
Otázka
V elektrolytickom článku pretečie 0.2 molu elektrónov roztokom CuSO₄. Koľko gramov medi sa usadí na katóde?
Diskusia
Počet mólov prúdiacich elektrónov (F) sa môže použiť na určenie počtu mólov vylúčeného kovu. Faradayova rovnica pre vylúčenie kovu je:
\[n = \frac{Q}{Fz} \]
ruka:
– Q = množstvo náboja (v Coulomboch)
– F = Faradayova konštanta (96500 C/mol)
– z = počet elektrónov na mol reakcie.
V tomto prípade Cu²⁺ absorbuje dva elektróny a mení sa na Cu, takže z = 2.
Počet mólov vylúčenej medi je:
\[ n = \frac{0.2 \text{ moly elektrónov}}{2} = 0.1 \text{ moly Cu} \]
Hmotnosť nanesenej medi:
\[ \text{hmotnosť Cu} = n \krát \text{Mr} \]
kde Mr je molárna hmotnosť Cu (63.5 g/mol)
Takže:
\[ \text{hmotnosť Cu} = 0.1 \krát 63.5 = 6.35 \text{ gramov} \]
Na katóde sa teda usadí 6.35 gramu medi.
Príklad otázky 4: Elektrolýza roztoku KI
Otázka
Elektrolýza roztoku KI sa vykonáva pomocou inertných elektród. Napíšte reakcie prebiehajúce na katóde a anóde a produkty vznikajúce na každej elektróde.
Diskusia
1. Reakcia na katóde:
Na katóde sú prítomné ióny K⁺ a H⁺O. H⁺O sa redukuje ľahšie ako ióny K⁺.
"`
2H20(1) + 2e⁻ → H2(g) + 2OH⁻(vod.)
"`
Produktom produkovaným na katóde je plynný vodík (H₂).
2. Reakcia na anóde:
Na anóde sú prítomné ióny I⁻ a H_2O. Ióny I⁻ sa oxidujú ľahšie ako ióny H_2O.
"`
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
"`
Produktom produkovaným na anóde je jód (I₂).
Pri elektrolýze roztoku KI je teda produktom produkovaným na katóde plynný vodík (H₂) a na anóde jód (I₂).
Zatváranie
Dôkladné pochopenie princípov a aplikácií elektrolytických článkov je nevyhnutné pre študentov chémie a odborníkov v oblastiach ako metalurgia, chemická výroba a energetický priemysel. Tento článok predstavuje niekoľko príkladov elektrolýzy a ich riešenia, ktoré pomôžu posilniť toto pochopenie. Dúfame, že zvládnutie týchto základných konceptov pomôže vyriešiť rôzne praktické a teoretické problémy, s ktorými sa stretávame v reálnom svete.
