Exempelfrågor och diskussion om elektrolytiska celler
En elektrolytisk cell är en anordning som används för att omvandla elektrisk energi till en icke-spontan kemisk reaktion, till skillnad från en voltaisk cell eller galvanisk cell, som omvandlar kemisk energi till elektrisk energi. I en elektrolytisk cell används en elektrisk ström för att framtvinga en kemisk reaktion som annars inte skulle ske utan ytterligare elektrisk energi. Detta koncept är avgörande i olika industriella tillämpningar såsom produktion av rena metaller, elektrolys av vatten för att producera väte och syre, och många fler.
Den här artikeln kommer att diskutera flera exempel på elektrolysproblem tillsammans med diskussioner som kan hjälpa eleverna att förstå konceptet elektrolytiska celler djupare.
Exempelfråga 1: Elektrolys av NaCl-lösning
Fråga
En natriumkloridlösning (NaCl) elektrolyseras med hjälp av inerta elektroder. Skriv reaktionerna som sker vid katoden och anoden och de produkter som bildas vid varje elektrod.
Diskussion
I en elektrolyscell finns det två elektroder: katoden (negativ elektrod) och anoden (positiv elektrod). Elektrolysen av en NaCl-lösning sker i två steg: reaktionen vid katoden och reaktionen vid anoden.
1. Reaktion vid katoden:
Vid katoden är de inblandade jonerna Na^+-joner och H_2O-joner. H_2O-joner reduceras dock lättare än Na^+-joner på grund av deras högre reduktionspotential.
Reaktionen som sker vid katoden är:
”'
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Reduktionspotential = -0.83 V)
”'
Produkten som produceras vid katoden är vätgas (H₂).
2. Reaktion vid anoden:
Vid anoden är de involverade jonerna Cl⁻-joner och H_2O-joner. Cl⁻-joner oxideras lättare än H_2O-joner på grund av deras lägre oxidationspotential.
Reaktionen som sker vid anoden är:
”'
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (Oxidationspotential = -1.36 V)
”'
Produkten som produceras vid anoden är klorgas (Cl₂).
Så, vid elektrolys av NaCl-lösning är produkten som produceras vid katoden vätgas (H₂) och vid anoden klorgas (Cl₂).
Exempelfråga 2: Elektrolys av CuSO₄-lösning med kopparelektroder
Fråga
Elektrolys av koppar(II)sulfat (CuSO₄)-lösning utfördes med kopparelektroder. Skriv reaktionerna som sker vid katoden och anoden och de produkter som bildas vid varje elektrod.
Diskussion
I detta fall är elektroden inte inert, utan en kopparelektrod, så elektroden kommer att reagera.
1. Reaktion vid katoden:
Vid katoden kommer Cu²⁺-jonerna vid anoden att reduceras.
”'
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (reduktionspotential = +0.34 V)
”'
Produkten som produceras vid katoden är fast koppar (Cu) som avsätts på elektroden.
2. Reaktion vid anoden:
Vid anoden kommer själva kopparelektroden att oxideras.
”'
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (Oxidationspotential = -0.34 V)
”'
Produkten som produceras vid anoden är Cu²⁺-joner.
Eftersom elektroden är av koppar kompenseras de Cu²⁺-joner som elektrolyseras i lösningen genom upplösning av koppar vid anodelektroden.
Exempel 3: Massa av deponerad metall
Fråga
I en elektrolytisk cell flödar 0.2 mol elektroner genom en CuSO₄-lösning. Hur många gram koppar avsätts vid katoden?
Diskussion
Antalet mol elektroner (F) som flödar kan användas för att bestämma antalet mol metall som avsatts. Faradays ekvation för metallavsättning är:
\[ n = \frac{Q}{Fz} \]
Där:
– Q = laddningsmängd (i Coulomb)
– F = Faradays konstant (96500 C/mol)
– z = antal elektroner per mol reaktion.
I detta fall absorberar Cu²⁺ två elektroner och blir Cu, så z = 2.
Antalet mol koppar som deponeras är:
[n = 0.2 mol elektroner/2 = 0.1 mol Cu]
Vikt av deponerad koppar:
\[ \text{massan av Cu} = n \times \text{Mr} \]
där Mr är molmassan av Cu (63.5 g/mol)
Så:
\[ \text{massa av Cu} = 0.1 \× 63.5 = 6.35 \text{ gram} \]
Så kommer 6.35 gram koppar att avsättas på katoden.
Exempelfråga 4: Elektrolys av KI-lösning
Fråga
Elektrolys av en KI-lösning utförs med inerta elektroder. Skriv reaktionerna som sker vid katoden och anoden och de produkter som bildas vid varje elektrod.
Diskussion
1. Reaktion vid katoden:
Vid katoden är de involverade jonerna K⁺- och H⁺O-joner. H⁺O reduceras lättare än K⁺-joner.
”'
2H2O(l) + 2e-→ H2(g) + 2OH-(aq)
”'
Produkten som produceras vid katoden är vätgas (H₂).
2. Reaktion vid anoden:
Vid anoden är de involverade jonerna I⁻- och H_2O-joner. I⁻-joner oxideras lättare än H_2O-joner.
”'
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
”'
Produkten som produceras vid anoden är jod (I₂).
Så, vid elektrolys av KI-lösning är produkten som produceras vid katoden vätgas (H₂) och vid anoden jod (I₂).
Stängning
En gedigen förståelse av principerna och tillämpningarna av elektrolytiska celler är avgörande för kemistudenter och yrkesverksamma inom områden som metallurgi, kemisk produktion och energiindustrin. Den här artikeln presenterar flera exempelproblem inom elektrolys och deras lösningar för att förstärka denna förståelse. Förhoppningen är att behärskning av dessa grundläggande koncept kommer att bidra till att lösa olika praktiska och teoretiska problem som uppstår i den verkliga världen.
