Primeri vprašanj in razprava o elektrolitskih celicah
Elektrolitska celica je naprava, ki se uporablja za pretvorbo električne energije v nespontano kemijsko reakcijo, za razliko od voltaične ali galvanske celice, ki pretvarjata kemijsko energijo v električno energijo. V elektrolitski celici se električni tok uporablja za sprožitev kemijske reakcije, ki sicer ne bi potekala brez dodatne električne energije. Ta koncept je ključnega pomena v različnih industrijskih aplikacijah, kot so proizvodnja čistih kovin, elektroliza vode za proizvodnjo vodika in kisika ter številne druge.
Ta članek bo obravnaval več primerov problemov elektrolize skupaj z njihovimi razpravami, ki lahko študentom pomagajo globlje razumeti koncept elektrolitskih celic.
Primer vprašanja 1: Elektroliza raztopine NaCl
Vprašanje
Raztopina natrijevega klorida (NaCl) se elektrolizira z uporabo inertnih elektrod. Zapišite reakcije, ki se odvijajo na katodi in anodi, ter produkte, ki nastanejo na vsaki elektrodi.
Razprava
V elektrolitski celici sta dve elektrodi: katoda (negativna elektroda) in anoda (pozitivna elektroda). Elektroliza raztopine NaCl poteka v dveh fazah: reakcija na katodi in reakcija na anodi.
1. Reakcija na katodi:
Na katodi so prisotni ioni Na^+ in H_2O. Vendar pa se ioni H_2O zaradi višjega redukcijskega potenciala lažje reducirajo kot ioni Na^+.
Reakcija, ki se pojavi na katodi, je:
""
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Redukcijski potencial = -0.83 V)
""
Produkt, ki nastane na katodi, je vodikov plin (H₂).
2. Reakcija na anodi:
Na anodi so prisotni ioni Cl⁻ in H_2O. Ioni Cl⁻ se zaradi nižjega oksidacijskega potenciala lažje oksidirajo kot ioni H_2O.
Reakcija, ki se pojavi na anodi, je:
""
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (Oksidacijski potencial = -1.36 V)
""
Produkt, ki nastane na anodi, je klorov plin (Cl₂).
Torej, pri elektrolizi raztopine NaCl na katodi nastane vodikov plin (H₂), na anodi pa klor (Cl₂).
Primer vprašanja 2: Elektroliza raztopine CuSO₄ z bakrenimi elektrodami
Vprašanje
Elektroliza raztopine bakrovega(II) sulfata (CuSO₄) je bila izvedena z uporabo bakrenih elektrod. Zapišite reakcije, ki potekajo na katodi in anodi, ter produkte, ki nastanejo na vsaki elektrodi.
Razprava
V tem primeru elektroda ni inertna, temveč bakrena elektroda, zato bo elektroda reagirala.
1. Reakcija na katodi:
Na katodi se bodo ioni Cu²⁺ na anodi reducirali.
""
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (redukcijski potencial = +0.34 V)
""
Produkt, ki nastane na katodi, je trdni baker (Cu), ki se nanese na elektrodo.
2. Reakcija na anodi:
Na anodi se bo bakrena elektroda sama oksidirala.
""
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (oksidacijski potencial = -0.34 V)
""
Produkt, ki nastane na anodi, so ioni Cu²⁺.
Ker je elektroda bakrena, se ioni Cu²⁺, ki se elektrolizirajo v raztopini, kompenzirajo z raztapljanjem bakra na anodni elektrodi.
Primer 3: Masa odložene kovine
Vprašanje
V elektrolitski celici skozi raztopino CuSO₄ steče 0.2 mola elektronov. Koliko gramov bakra se odloži na katodi?
Razprava
Število molov pretočnih elektronov (F) se lahko uporabi za določitev števila molov odložene kovine. Faradayeva enačba za odlaganje kovine je:
\[n = \frac{Q}{Fz} \]
di mana:
– Q = količina naboja (v Coulombih)
– F = Faradayeva konstanta (96500 C/mol)
– z = število elektronov na mol reakcije.
V tem primeru Cu²⁺ absorbira dva elektrona in postane Cu, zato je z = 2.
Število molov odloženega bakra je:
\[ n = \frac{0.2 \text{ molov elektronov}}{2} = 0.1 \text{ molov Cu} \]
Teža nanesenega bakra:
\[ \text{masa Cu} = n \krat \text{Mr} \]
kjer je Mr molska masa Cu (63.5 g/mol)
Torej:
\[ \text{masa Cu} = 0.1 \times 63.5 = 6.35 \text{gramov} \]
Torej se bo na katodi odložilo 6.35 grama bakra.
Primer vprašanja 4: Elektroliza raztopine KI
Vprašanje
Elektroliza raztopine KI se izvaja z uporabo inertnih elektrod. Zapišite reakcije, ki potekajo na katodi in anodi, ter produkte, ki nastanejo na vsaki elektrodi.
Razprava
1. Reakcija na katodi:
Na katodi sodelujejo ioni K⁺ in H⁺O. H⁺O se lažje reducira kot ioni K⁺.
""
2H₂O(l) + 2e⁻ → H2(g) + 2OH⁻(aq)
""
Produkt, ki nastane na katodi, je vodikov plin (H₂).
2. Reakcija na anodi:
Na anodi sodelujejo ioni I⁻ in H_2O. Ioni I⁻ se lažje oksidirajo kot ioni H_2O.
""
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
""
Produkt, ki nastane na anodi, je jod (I₂).
Torej, pri elektrolizi raztopine KI na katodi nastane vodikov plin (H₂), na anodi pa jod (I₂).
Zapiranje
Za študente kemije in strokovnjake na področjih, kot so metalurgija, kemična proizvodnja in energetika, je bistvenega pomena dobro razumevanje načel in uporabe elektrolitskih celic. Ta članek predstavlja več primerov problemov elektrolize in njihove rešitve, ki bodo pomagale okrepiti to razumevanje. Upamo, da bo obvladovanje teh osnovnih konceptov pomagalo rešiti različne praktične in teoretične probleme, s katerimi se srečujemo v resničnem svetu.
