Саволҳои намунавӣ ва муҳокимаи ҳуҷайраҳои электролитӣ
Ҳуҷайраи электролитӣ дастгоҳест, ки барои табдил додани энергияи барқ ба реаксияи кимиёвии ғайристихиявӣ истифода мешавад, бар хилофи ҳуҷайраи волтаӣ ё ҳуҷайраи галванӣ, ки энергияи химиявиро ба энергияи барқ табдил медиҳанд. Дар ҳуҷайраи электролитӣ ҷараёни барқӣ барои маҷбур кардани реаксияи кимиёвӣ истифода мешавад, ки дар акси ҳол бе энергияи иловагии барқӣ рух намедод. Ин мафҳум дар барномаҳои гуногуни саноатӣ, аз қабили истеҳсоли металлҳои холис, электролизи об барои истеҳсоли гидроген ва оксиген ва бисёр чизҳои дигар, муҳим аст.
Дар ин мақола якчанд мисолҳои мушкилоти электролиз ва инчунин муҳокимаҳои онҳо, ки метавонанд ба донишҷӯён дар фаҳмидани мафҳуми ҳуҷайраҳои электролитӣ амиқтар кӯмак расонанд, баррасӣ карда мешаванд.
Намунаи саволи 1: Электролизи маҳлули NaCl
Пертанян
Маҳлули хлориди натрий (NaCl) бо истифода аз электродҳои инертӣ электролиз карда мешавад. Реаксияҳоеро, ки дар катод ва анод ба амал меоянд ва маҳсулоти дар ҳар як электрод ҳосилшударо нависед.
Пембахасан
Дар як ҳуҷайраи электролитӣ ду электрод мавҷуд аст: катод (электроди манфӣ) ва анод (электроди мусбат). Электролизи маҳлули NaCl дар ду марҳила сурат мегирад: реаксия дар катод ва реаксия дар анод.
1. Реаксия дар катод:
Дар катод, ионҳои иштироккунанда ионҳои Na^+ ва ионҳои H_2O мебошанд. Аммо, ионҳои H_2O нисбат ба ионҳои Na^+ ба осонӣ барқарор карда мешаванд, зеро онҳо потенсиали баланди барқароркуниро доранд.
Реаксияе, ки дар катод ба амал меояд, чунин аст:
""
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (Потенсиали коҳиш = -0.83 В)
""
Маҳсулоте, ки дар катод ҳосил мешавад, гази гидроген (H₂) мебошад.
2. Реаксия дар Анод:
Дар анод, ионҳои иштироккунанда ионҳои Cl⁻ ва ионҳои H_2O мебошанд. Ионҳои Cl⁻ нисбат ба ионҳои H_2O бо сабаби потенсиали пасти оксидшавӣ ба осонӣ оксид мешаванд.
Реаксияе, ки дар анод ба амал меояд, чунин аст:
""
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (Потенсиали оксидшавӣ = -1.36 В)
""
Маҳсулоте, ки дар анод истеҳсол мешавад, гази хлор (Cl₂) мебошад.
Пас, ҳангоми электролизи маҳлули NaCl, маҳсулоте, ки дар катод ҳосил мешавад, гази гидроген (H₂) ва дар анод гази хлор (Cl₂) мебошад.
Намунаи саволи 2: Электролизи маҳлули CuSO₄ бо электродҳои мис
Пертанян
Электролизи маҳлули сулфати мис (II) (CuSO₄) бо истифода аз электродҳои мисӣ анҷом дода шуд. Реаксияҳоеро, ки дар катод ва анод ба амал меоянд ва маҳсулоти дар ҳар як электрод ҳосилшударо нависед.
Пембахасан
Дар ин ҳолат, электрод инертӣ нест, балки электроди мисӣ аст, аз ин рӯ электрод реаксия хоҳад кард.
1. Реаксия дар катод:
Дар катод, ионҳои Cu²⁺ дар анод кам мешаванд.
""
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(с) (потенсиали коҳиш = +0.34 В)
""
Маҳсулоте, ки дар катод ҳосил мешавад, миси сахт (Cu) аст, ки дар электрод таҳшин мешавад.
2. Реаксия дар Анод:
Дар анод, худи электроди мис оксид мешавад.
""
Cu(с) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (Иқтидори оксидшавӣ = -0.34 В)
""
Маҳсулоте, ки дар анод ҳосил мешавад, ионҳои Cu²⁺ мебошанд.
Азбаски электрод аз мис иборат аст, ионҳои Cu²⁺, ки дар маҳлул электролиз карда мешаванд, бо роҳи ҳалшавии мис дар электроди анод ҷуброн карда мешаванд.
Мисоли 3: Массаи металли гузошташуда
Пертанян
Дар як ҳуҷайраи электролитӣ, 0.2 мол электрон аз маҳлули CuSO₄ мегузарад. Дар катод чанд грамм мис ҷамъ мешавад?
Пембахасан
Шумораи молҳои электронҳои (F)-и ҷоришавандаро барои муайян кардани шумораи молҳои металли гузошташуда истифода бурдан мумкин аст. Муодилаи Фарадей барои гузоштани металл чунин аст:
\[ n = \frac{Q}{Fz} \]
ди мана:
– Q = миқдори заряд (дар Кулон)
– F = доимии Фарадей (96500 C/мол)
– z = шумораи электронҳо дар як моли реаксия.
Дар ин ҳолат, Cu²⁺ ду электронро фурӯ бурда, ба Cu табдил меёбад, бинобар ин z = 2 аст.
Шумораи молҳои мис, ки ба он гузошта шудаанд, чунин аст:
\[ n = \frac{0.2 \text{ молҳои электронҳо}}{2} = 0.1 \text{ молҳои Cu} \]
Вазни миси гузошташуда:
\[ \text{массаи Cu} = n \times \text{Mr} \]
ки дар он Mr массаи молярии Cu (63.5 г/мол) аст
Пас:
\[ \text{массаи Cu} = 0.1 \вақт 63.5 = 6.35 \text{ грамм} \]
Пас, 6.35 грамм мис дар катод гузошта мешавад.
Намунаи саволи 4: Электролизи маҳлули KI
Пертанян
Электролизи маҳлули KI бо истифода аз электродҳои инертӣ анҷом дода мешавад. Реаксияҳоеро, ки дар катод ва анод ба амал меоянд ва маҳсулоти дар ҳар як электрод ҳосилшударо нависед.
Пембахасан
1. Реаксия дар катод:
Дар катод, ионҳои иштироккунанда ионҳои K⁺ ва H_2O мебошанд. H_2O нисбат ба ионҳои K⁺ ба осонӣ барқарор мешавад.
""
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(г) + 2OH⁻(ак)
""
Маҳсулоте, ки дар катод ҳосил мешавад, гази гидроген (H₂) мебошад.
2. Реаксия дар Анод:
Дар анод, ионҳои иштироккунанда ионҳои I⁻ ва H_2O мебошанд. Ионҳои I⁻ нисбат ба ионҳои H_2O ба осонӣ оксид мешаванд.
""
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
""
Маҳсулоте, ки дар анод ҳосил мешавад, йод (I₂) мебошад.
Пас, ҳангоми электролизи маҳлули KI, маҳсулоте, ки дар катод ҳосил мешавад, гази гидроген (H₂) ва дар анод йод (I₂) мебошад.
Penutup
Дарки амиқи принсипҳо ва татбиқи ҳуҷайраҳои электролитӣ барои донишҷӯёни химия ва мутахассисони соҳаҳо ба монанди металлургия, истеҳсоли кимиёвӣ ва саноати энергетика муҳим аст. Дар ин мақола якчанд мисолҳои масъалаҳои электролиз ва роҳҳои ҳалли онҳо оварда шудаанд, то ин фаҳмишро тақвият диҳанд. Умедворем, ки азхуд кардани ин мафҳумҳои асосӣ ба ҳалли масъалаҳои гуногуни амалӣ ва назариявӣ, ки дар ҷаҳони воқеӣ дучор мешаванд, мусоидат хоҳад кард.
