Elektrochemia
- prawa elektrolizy Faraday’a
Zadania
•
Masa substancji wydzielonej na elektrodach podczas elektrolizy jest proporcjonalna do natężenia prądu i czasu trwania elektrolizy
• m = k·I·t
q
– m – masa wydzielonej substancji [g]
– I – natężenie prądu [A]
– t – czas trwania elektrolizy [s]
– q - ładunek [C]
– k – współczynnik proporcjonalności, zwany równoważnikiem elektrochemicznym
• k = M/(z·F)
– M – masa molowa
– z – ładunek jonu
– F - stała Faradaya [kulomb/mol]
• oznacza całkowity ładunek elektryczny jednego mola elektronów F = N e: A
– N - stała Avogadra,
A
– e - ładunek elektronu = 1,6021917(70)×10-19 C
• F = 96 487,03 ± 1,6 C/mol ~ 96 500 C/mol.
•
Ile gramów miedzi wydzieli się na katodzie platynowej podczas elektrolizy wodnego roztworu Cu(NO ) prądem o natężeniu 1A w czasie 9650 sekund?
3 2
– Dane: I = 1 A
t = 9650 s
M =63,5 g/mol
Cu
F = 96 500 C
– Szukane: m = ?
– Rozwiązanie:
• reakcja na katodzie: Cu2+ +2e = Cu → z = 2
• m = kIt = [M/(zF)]·It = [63,5/(2·96 500)]·1· 9650=3,17 g
– Odpowiedź: Na katodzie wydzieli się 3,17 g miedzi Przykład 2.
•
Elektrolizę wodnego roztworu CuSO prowadzono przez 1,5 godziny prądem o 4
natężeniu 5 A. Jaka jest wartość ładunku który przepłynął przez roztwór?
– Dane: t = 1,5 h = 90 min. = 5400 s, I = 5A
– Szukane: q=?
– Rozwiązanie: q = I·t
q = 5· 5400 = 27000 C
– Odpowiedź: Przez roztwór przepłynął ładunek o wartości 27000C.
•
Roztwór wodny zawierający 1 mol Cu(NO ) i 1 mol AgNO poddano elektrolizie 3 2
3
na elektrodach platynowych przepuszczając ładunek równy 1,5F. Ile gramów substancji wydzieliło się na katodzie?
– Dane:
Wzrost właściwości utleniających kationów
K, Na, Ca, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H , Cu, Hg, Ag, Au 2
q = 1,5 F
– Rozwiązanie:
Ag+ + e = Ag → do wydzielenia 1 mola srebra potrzebny jest ładunek = 1F
Cu2+ + 2e = Cu → z = 2
W roztworze znajduje się 1 mol jonów Ag+, które dzięki przepływającemu ładunkowi wydzielają się całkowicie na katodzie, m = 108g
Ag
Pozostały ładunek = 1,5F -1F = 0,5 F zostaje przeznaczony na wydzielenia miedzi: m
= 63,5g/2F·0,5F = 16 g
Cu
– Odpowiedź: Na katodzie wydzieliło się 108g srebra i 16g miedzi.
•
Gdy ładunek, czyli I·t = const.: stosunek masy substancji wydzielonej na 1. elektrodzie do masy substancji wydzielonej na elektrodzie 2. ma się jak stosunek współczynników proporcjonalności k:
•
m /m = k /k → m /m = M z /M z → n z = n z
←k = M/(z·F)
1
2
1
2
1
2
1 2
2 1
1 1
2 2
Przykład 1.
• Podczas elektrolizy wodnego roztworu AgNO wydzieliło się 21,6g srebra. Ile 3
gramów miedzi wydzieliłby ten sam ładunek elektryczny przepływający przez roztwór zawierający jony Cu2+?
- Dane: m
= 21,6g, M
= 108g/mol, n – ilość moli srebra, z = 1, M
= 63,5g/mol,
Ag+
Ag
1
1
Cu
n – ilość moli miedzi, z = 2
2
2
- Szukane: m
= ?
Cu
- Rozwiązanie:
Ag+ + e = Ag
Cu2+ + 2e = Cu
n = 21,6/108=0,2 mola
1
n z = n z
0,2·1= n ·2 n = 0,1
1 1
2 2
2
2
m
= n ·M
m
= 6,35 g
Cu
2
Cu
Cu
- Odpowiedź: Ten sam ładunek elektryczny wydzieliłby 6,35 g.
•
Jeżeli na anodzie wydzieliło się w czasie elektrolizy stopionego KOH 11,2 dm3
tlenu (w warunkach normalnych), to jaka jest ilość wydzielonego na katodzie potasu?
– Dane:
V
= 11,2 dm3, n – liczba moli tlenu, z = 4, n – liczba moli potasu, z = 1, tlenu
1
1
2
1
M = 39,1g/mol
K
– Szukane: m = ?
K
– Rozwiązanie:
Anoda: 4OH - = O + 4e + 2 H O
2
2
Katoda: K+ + e = K
W warunkach normalnych 1 mol gazu - 22,4 dm3
n - 11,2 dm3
→n = 0,5 mola
1
1
n z = n z
0,5mola·4= n ·1 n =2 mole
1 1
2 2
2
2
m = M · n
m = 78,2g
K
K
2
K
– Odpowiedź: Na katodzie wydzieliło się 78,2 g potasu
•
Zadanie 1. Jak długo musi przepływać prąd o natężeniu 1A przez rozcieńczony roztwór H SO , aby wydzielić łącznie 0,336 dm3 gazów (w stanie suchym w warunkach normalnych)?
2
4
Odp.: 32 min.
•
Zadanie 2. 500cm3 wodnego roztworu NaCl poddano elektrolizie. Po jej zakończeniu pH
roztworu wynosiło 12,00. Oblicz, jaką objętość zajęły w warunkach normalnych gazowe produkty wydzielone podczas tego procesu. Odp.: 0,112 dm3
•
Zadanie 3. Podczas przepływu prądu o natężeniu 3A w ciągu 100 minut przez roztwór soli metalu trójwartościowego wydzieliło się 1,68g metalu. Ile wynosi masa atomowa tego metalu? Odp.: 27g
•
Zadanie 4. Jak długo należy prowadzić elektrolizę prądem o natężeniu 5A roztworu zawierającego w 5dm3 2 mole AgNO i 2 mole Cu(NO ) , aby wydzielić praktycznie 3
3 2
całkowicie srebro i miedź z tego roztworu, jeśli wydajność prądowa procesu wynosi 90%?
Odp.: ok.. 36h
•
Zadanie 5. Podczas elektrolizy wodnego roztworu KNO na elektrodach wydzieliło się 67,2
3
dm3 mieszaniny gazów (w przeliczeniu na warunki normalne). O ile zmniejszyła się objętość roztworu? Gęstość wody = 1g/cm3 Odp.: 36 cm3
•
Zadanie 6. Przez roztwór zawierający 1 mol NaCl i 1 mol MgCl przepuszczono ładunek 2
193000 C. Oblicz o ile gramów wzrosła masa katody? Odp.: 24g.