Vzorčna vprašanja in razprava o elektrokemijskih aplikacijah
Elektrokemija je veja kemije, ki preučuje odnos med kemijskimi reakcijami in elektriko. V vsakdanjem življenju se elektrokemija uporablja na različnih področjih, kot so baterije, senzorji, korozija in postopki galvanizacije. Za boljše razumevanje predstavljamo več primerov problemov in razprav, povezanih z uporabo elektrokemije.
Primer vprašanja 1: Galvanska baterija (fotovoltaična celica)
Vprašanje:
Galvanska celica je izdelana z Zn (cinkovimi) in Cu (bakrenimi) elektrodami, potopljenimi v raztopini ZnSO₄ oziroma CuSO₄. Standardni elektrodni potencial za Zn²⁺/Zn je -0,76 V, za Cu²⁺/Cu pa +0,34 V. Izračunajte napetost celice (E° celice) galvanske celice.
Razprava:
1. Določite reakcijo polcelic:
– Polcelična reakcija za cink (Zn):
\[
Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-
\]
– Polcelična reakcija za baker (Cu):
\[
Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu
\]
2. Prepoznavanje anode in katode:
– Anoda (oksidacija): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (bolj negativna, -0.76 V)
– Katoda (redukcija): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (bolj pozitivno, +0.34 V)
3. Izračun napetosti celice (celica E°):
– Standardna formula za napetost celic:
\[
E°_{\text{celica}} = E°_{\text{katoda}} – E°_{\text{anoda}}
\]
Z:
\[
E°_{\text{katoda}} = +0,34 \text{V}
\]
\[
E°_{\text{anoda}} = -0,76 \text{V}
\]
– Torej, napetost celice:
\[
E°_{\text{sel}} = 0.34 \text{V} – (-0.76 \text{V}) = 1.10 \text{V}
\]
Primer vprašanja 2: Elektroliza raztopine NaCl
Vprašanje:
Pri elektrolizi raztopine NaCl (aq) z uporabo inertnih elektrod določite pline, ki nastanejo na anodi in katodi. Zapišite tudi reakcije, ki se odvijajo na vsaki elektrodi.
Razprava:
1. Reakcija na elektrodi:
– Katoda (redukcija):
Ioni, ki so lahko vključeni, so Na⁺ in H₂O.
Redukcijske reakcije, ki se običajno pojavijo, so:
\[
2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 (g) + 2OH^-
\]
Torej, plin, ki nastane na katodi, je \(H_2 \).
– Anoda (oksidacija):
Ioni, ki so lahko vključeni, so Cl⁻ in H₂O.
Oksidacijske reakcije, ki se običajno pojavijo, so:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
Torej, plin, ki nastane na anodi, je \( Cl_2 \).
2. Splošna reakcija:
– Reakcija na katodi:
\[
2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 (g) + 2OH^-
\]
– Reakcija na anodi:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
– Skupna reakcija:
\[
2H_2O + 2Cl^- \rightarrow H_2 (g) + Cl_2 (g) + 2OH^-
\]
Primer vprašanja 3: Postopek galvanizacije
Vprašanje:
Izračunajte maso srebra (Ag), ki se nanese na katodo tako, da skozi raztopino AgNO₃ 2 uri teče električni tok 0,5 A. Molska masa srebra je 107,87 g/mol, 1 Faradayeva enota pa je enaka 96.485 C/mol e⁻.
Razprava:
1. Določite skupni električni naboj (Q):
– Tok (I) = 0.5 A
– Čas (t) = 2 uri = 2 × 3600 sekund = 7200 sekund
– Skupni električni naboj (Q) se izračuna po formuli:
\[
Q = I krat t
\]
- Torej:
\[
Q = 0.5 \text{ A} \times 7200 \text{ s} = 3600 \text{ C}
\]
2. Izračun števila molov elektronov (n):
– 1 mol elektronov = 96.485 C
– Število molov oddanih elektronov:
\[
n = \frac{3600 \text{ C}}{96.485 \text{ C/mol}} \približno 0.0373 \text{ mol}
\]
3. Določanje mase odloženega srebra:
– Redukcijska reakcija na katodi:
\[
Ag^+ + e^- \rightarrow Ag \text{ (s)}
\]
– 1 mol elektronov proizvede 1 mol Ag
– Število molov nanesenega Ag:
\[
0.0373 mol Ag
\]
– Z uporabo molske mase Ag (107,87 g/mol):
\[
\text{Masa Ag} = 0.0373 \text{ mol} \krat 107.87 \text{ g/mol} \približno 4.02 \text{ g}
\]
Tako je masa srebra, odloženega na katodi, približno 4.02 grama.
Primer vprašanja 4: Korozija
Vprašanje:
Opišite proces korozije železa v vlažnem okolju in zapišite kemijske reakcije, ki pri tem potekajo.
Razprava:
1. Faze korozije:
– Reakcija na anodi:
Železo se oksidira v železove ione:
\[
Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-
\]
– Reakcija na katodi:
Kisik v zraku reagira z vodo in elektroni iz anode:
\[
O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O
\]
V nevtralnem-nekislem okolju je bolj verjetna reakcija:
\[
O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-
\]
2. Nastanek železovega hidroksida:
– Ioni Fe²⁺ se združijo z ioni OH⁻ in tvorijo Fe(OH)₂:
\[
Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2
\]
3. Nastanek rje:
– Nadaljnja oksidacija Fe(OH)₂ tvori Fe(OH)₃, ki se posuši in tvori rjo (Fe₂O₃·nH₂O):
\[
4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3
\]
– Fe(OH)₃ se lahko z izgubo vode spremeni v Fe₂O₃:
\[
2Fe(OH)_3 \rightarrow Fe_2O_3 + 3H_2O
\]
Ta postopek prikazuje, kako železo korodira skozi vrsto elektrokemijskih reakcij. Poznavanje korozije je bistvenega pomena za ohranjanje trajnosti kovinskih materialov v stavbah in infrastrukturi.
Z razumevanjem zgornjih primerov vprašanj in razprav upamo, da bodo bralci dobili jasnejšo sliko o praktični uporabi elektrokemijskih načel v vsakdanjem življenju.
