REACŢII CU TRANSFER DE ELECTRONI-PILE ELECTRICE, ELECTROLIZA

Propun aceste modele, pentru cei interesaţi, cu scopul de a ajuta la înţelegerea rezolvării problemelor de chimie. Fiecare are o „cheiţă”, o abordare logică, care după ce au fost găsite îţi dau satisfacţia de succes. Am ales aceste probleme, fiindcă îmbină calculele: de unităţi de măsură uzuale; stoechiometrice pe bază de reacţii redox; calcule cu numărul de moli; calcule cu volumul gazelor în condiţii normale(c.n.) cu legile electrolizei.

NOTAŢII
A (-) –anod, la care are loc oxidarea
C (-) – catod, la care are loc reducerea
ε ox = potenţial de oxidare;
ε red = potenţial de reducere
E = forţa electromotoare (f.e.m.)
E = ε ox + ε red
ε ox= – ε red

Legea I a electrolizei

Masa substanţelor care se separă la electrozi este proporţională cu cantitatea de electricitate Q, care trece prin electrolit (soluţie sau topitură).

m = k∙Q = k∙ I ∙t

k                           Eg

 

I

k= echivalent electrochimic
Eg = echivalentul gram,
Ag= atomul gram
n = valenţa metalului
F= numărul lui Faraday
F = NA ∙ e_ = 96 500 (se acceptă în calcule)
NA = numărul lui Avogadro= 6,022∙1023
e- = sarcina electronului = 1,6 ∙ 10-19
I = intensitatea curentului ce parcurge celula de electroliză (amperi)
t = durata electrolizei (secunde)

 

Legea II
Trecând aceeaşi cantitate de electricitate prin diferiţi electroliţi, la electrozi se separă mase proporţionale cu echivalenţii gram ai substanţelor, precum şi cu echivalenţii lor electrochimici:

legea II electroliza

 

BIBLIOGRAFIE
1. Bacalaureat, subiecte propuse, Chimie anorganică şi generală, Editura Humanitas Educaţional, 2000
2. L.D.Boboş, Probleme de chimie pentru elevii de liceu, Cluj-Napoca, 1996
3. Marius Andruch, Ion Baciu, Daniela Bogdan, Chimie, Manual pentru clasa a XII-a, C1, Editura Mistral, Info Media, 2007
4. Vasilica Croitoru, D.A. Constantinescu, Aplicaţii ăi probleme de chimie analitică, Editura tehnică, 1979

1 ∕ 1∕pag.69, Chimie, Manual pentru clasa a XII-a, C1

O placă de fier cu masă necunoscută se introduce într-o soluţie de CuSO4. După un timp se introduce placa din soluţie, se spală şi se usucă ăi se cântăreşte. Se constată că masa plăcii a crescut cu 1 g. Scrie ecuaţia reacţiei care a avut loc şi stabileşte care este reducătorul, respectiv oxidantul. Ce cantitate de cupru s-a depus?

Reacţia care are loc:
Fe + Cu SO4 = FeSO4 + Cu

Varianta propusă pentru calcularea masei de Cu depusă este:

-notăm masa plăcii de fier cu X
-notăm masa de fier, care se dizolvă din placă, trecând în sulfat de fier, cu a
Fe – 2 e- = Fe2+ (oxidare)
-notăm masa de cupru, care se depune pe placă, cu b
Cu2+ + 2e- = Cu (reducere)
-avem expresia matematică a creşterii cu 1 g :
1 = masa electrod final- masa electrod iniţial
Masa electrod final = masa electrod iniţial-masa Fe dizolvat + masa Cu depus
1= X-a+b – X = -a + b

-cu ajutorul calcului pe baza de reacţie chimică, exprimăm pe b în funcţie de a:
A Fe = 56; A Cu = 64

a                                           b
Fe + Cu SO4 = FeSO4 + Cu
56                                         64

b = a∙ 64 / 56 = a∙ 8 / 7

-înlocuim pe b în relaţie şi calculăm pe a, apoi pe b:
1= -a + a∙ 8 / 7;

7 = -7a + 8a ; a = 7

b = a∙ 8 /7 = 7 ∙ 8 / 7 = 8

R = 8 g Cu

2∕ 8. pag 70. Chimie, C1
După un timp de funcţionare a pilei Daniell se constată că masa plăcii anodice a scăzut cu 1,625 g . Calculează cantitatea de electricitate debitată de pilă. Cu cât creşte masa catodului ?

Cunoaştem:

-procesul care are loc în pila Daniell: (-) Zn │ Zn2 + ││ Cu2+ │ Cu (+)

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu

-masa de Zn care trece din lamelă în soluţie este 1,625 g (se deduce din afirmaţia “masa plăcii anodice a scăzut cu 1,625 g”)
– relaţia matematică:
m = k ∙ Q
-A Zn = 65
-Acu = 64

Nu cunoştem:
-cantitatea de electricitate (Q) şi echivalentul electrochimic (k)
-masa Cu depus pe catod

Varianta propusă pentru Rezolvare

1Calcularea cantităţii de electricitate:

m = k∙ Q
k = Eg ∕ F
Eg Cu = ACu / valenţa

1,625 = (65 / 2∙96500) ∙ Q
1,625 = (32,5 / 96500) ∙ Q
1,625 ∙ 96500 = 32,5 ∙ Q
Q = 4825 C

2 Calcularea masei de Cu:

Este un calcul pe bază de reacţie chimică:
65 g Zn ……………………….64 g Zn
1,625 g Zn……………………..x

x = 1,625 ∙ 64 / 65 = 1,6 g

R : 4825 C; 1,6 g Cu

3/ 10/ pag 70 Chimie C1

Prin trecerea unui curent electric timp de 1 h, printr-un voltametru cu electrozi de platină umplut cu o soluţie diluată de H2SO4 , rezultă 336 ml (c.n.) amestec de H2 şi O2. Care este intensitatea curentului electric ce trece prin voltametru?

Cunoaştem:
– are loc electroliza apei în mediu acid
– timpul de electroliză este 1 h, adică 3600s
– volumul gazelor rezultate este 336 ml, adică 0,336 L
– legea I a electrolizei: m = k∙ Q= k∙ I∙ t
– masele atomice ale H, O

Nu cunoaştem:
– numărul de moli de amestec, numărul de moli de H2
– coeficientul k pentru H2
– intensitatea curentului

Varianta propusă pentru Rezolvare

Se aplică legea I a electrolizei pentru H2 format prin electroliză:
m H2 = k∙ I∙ t
k H2 = Eg / 96500 ; Eg H2 = 1 /1 =1
k H2 = 1/ 96500
Trebuie să calculăm masa de H2 rezultat.

Paşi de urmat:
1 . Se calculează numărul de moli amestec pe baza relaţiei dintre numărul de moli şi volumul molar în condiţii normale de temperatură şi presiune.

1mol amestec de gaze(H2 şi O2) …..ocupă………………22,4 L (c.n.)
X moli amestec……………………………..ocupă…………….0,336L (c.n.)

X = 0,015 moli amestec (H2 şi O2 )

2. Se calculează numărul de moli de H2 din 0,015 moli amestec cu ajutorul reacţiei de la electroliza apei şi apoi masa de H2:

H2O = H2 + ½ O2
Observăm că se formează 1 mol de H2 şi 0,5 moli(1/2 ) de O2, suma lor este 1,5 moli amestec.
Deci:
1,5 moli amestec …..au …..1 mol de H2
0,015 moli amesctec…………y moli
y = 0,015 ∙ 1 / 1,5 = 0,010 moli H2

m H2 = număr de moli ∙ MH2 = 0,010 ∙ 2 = 0,020 g

3. Se înlocuiesc datele în expresia matematică:

m H2 = k∙ I∙ t
0,020 = (1 / 96500) ∙ I∙ 3600
I = 0,020 ∙ 96500 / 3600 = 0,536 A

R = 0,536 A

4./ 15/ pag 70 Chimie C1

Într-un electrolizor se află 10 cm3 soluţie 1 M de CuSO4. Care va fi concentraţia soluţiei finale de CuSO4, dacă I = 8A, iar timpul de electroliză este 45 secunde? Se consideră constant volumul soluţiei.

Varianta propusă pentru Rezolvare

Se calculează masa de Cu depus din soluţia de CuSO4, în timpul electrolizei; se va calcula masa de CuSO4, care corespunde masei de Cu de mai sus; se calculează masa de CuSO4 rămasă în soluţie prin scădere: masa dizolvată în 10 cm3 – masa de CuSO4 din care se depune Cu; masa de CuSO4 rămasă este masa dizolvată din 10 cm3 soluţie la finalul electrolizei.

1. Cu2+ + 2 e- = Cu ( reducere)

m Cu = k∙ Q= (Eg Cu / 96500) ∙ I∙t
Eg Cu = A cu / valenţă = 64/ 2= 32
m Cu = (32 / 96500) ∙ 8∙ 45 = 0,119 g Cu

2. masa de CuSO4, care cuprinde 0,119 g Cu este:
în M CuSO4 = 160 ……………………….sunt……………..64 g Cu
x g ………………………au………………..0,119 g Cu

x = 160∙0,119 / 64 = 1,6 g CuSO4

3. masa dizolvată de CuSO4 în 10 cm3 la începutul electrolizei este:
md = CM ∙ M∙ VS (mol / L)
md = 1 ∙ 160 ∙ 10 ∙ 10-3 = 1,6 g CuSO4

4.masa de CuSO4 rămas la finalul electrolizei:

mCuSO4 rămas = m CuSO4 iniţial – m CuSO4 care se reduce
m CuSO4 rămas = 1,6 g- 0,29 g = 1,31 g
5. concentraţia molară finală:

CM = md / M∙ VS
CM = 1,31 / 160 ∙ 0,01 = 0,818 M

R = 0,818 M

5. / VIII. Pag 42/ Bacalaureat subiecte propuse
Magneziul joacă un rol plastic în regnul animal. Magneziul se obţine industrial prin electroliza topiturii de clorură de magneziu.
1. Scrie reacţiile care au loc la electrozi.
2. Calculează masa de magneziu (g) depusă la catod, dacă se foloseşte un curent cu intensitatea de 2 A, timp de 30 minute.

Rezolvare

1. La topirea cristalului de MgCl2 se formează un lichid, în care ionii Mg2+ şi Cl- au moblitate mare.
MgCl2 = Mg2+ + Cl-

Procesele care au loc la electrozi sunt:
La catod (-): Mg2+ + 2 e- = Mg reducere
La anod (+): 2Cl- = Cl2 + 2 e- oxidare

2. Se aplică relaţia matematică, legea I a electrolizei:

m = k∙ Q = (Eg / F) ∙ I∙ t
Eg Mg = A Mg / valenţa Mg = 24 / 2 = 12
t = 30 min ∙ 60 sec = 1800 sec
m = ( 12 / 96500) ∙ 2 ∙ 1800 = 0,447 g

R = 0,447 g Mg

Lasă un răspuns

Completează mai jos detaliile despre tine sau dă clic pe un icon pentru autentificare:

Logo WordPress.com

Comentezi folosind contul tău WordPress.com. Dezautentificare / Schimbă )

Poză Twitter

Comentezi folosind contul tău Twitter. Dezautentificare / Schimbă )

Fotografie Facebook

Comentezi folosind contul tău Facebook. Dezautentificare / Schimbă )

Fotografie Google+

Comentezi folosind contul tău Google+. Dezautentificare / Schimbă )

Conectare la %s