Feladat
Nátrium szulfát vizes oldatát elektrolizáltuk réz elektródok között. Az alkalmazott áramerősség 0,550A, az elektrolízist 6 perc 45 másodpercig végeztük. Milyen gáz, és hány köbcenti keletkezett a katódon? Az anódon csak minimális gézfejlődést tapasztaltunk és az elektród környéke vörösre színeződött, milyen folyamat játszódott le itt?
Néhány alapfogalom
AZ ELEKTROLÍZIS: ~: az elektrolizáló cellában lejátszódó folyamat, amely során az elektromos áram hatására játszódik le kémiai redoxireakció. A galváncellában lejátszódó folyamattal ellentétes irányú folyamat, mert ott kémiai redoxireakció hatására termelődik elektromos áram.
Elektrolizáló cella: az a berendezés, amelyben az elektrolízis lejátszódik. Részei: – megfelelő feszültségű egyenáramforrás – két közömbös (indifferens, a reakcióban nem résztvevő) grafitelektród (ebben az esetben mi réz elektródot használtunk) – „U” alakú cső – elektrolit (olyan oldat vagy olvadék, amelyben a töltéssel rendelkező részecskék szabadon elmozdulhatnak)
Az elektrolizáló cella működése: Ha az elektrolit oldatába merülő elektródokat egyenáramforrás sarkaival kötjük össze, akkor kellő feszültségkülönbség hatására az oldatban elektrolízis indul meg.
Katód (-): Itt az áram az elektródból az elektrolitba lép, így az elektronok az ott levő kationokat részben vagy egészben semlegesítik. A negatív töltésű elektród felületén tehát redukció (elektronfelvétel) történik.
Anód (+): Itt az elektrolitban levő negatív ionok adják át elektronjaikat az elektródot alkotó fémnek, amelyben azok továbbhaladhatnak. A pozitív töltésű elektród felületén tehát oxidáció (elektronleadás) történik.
Forrás: http://ptlklszl.web.elte.hu/misc/material/elektrokemia.pdf
Videó
A labortáp 30V on van, az áramlimit pedig 0,7A volt, de ezt nem érte el. Az elektrolízis kezdetén kb. 535 mA volt, ami a kísérlet végére 0,590mA-re felment.
Megoldás
Először is írjuk fel az anódon és a katódon lejátszódó folyamatok rekcióegyenleteit
Na2SO4-oldat elektrolízisekor a
katódfolyamat: 2H2O + 2e– → 2OH– + H2
anódfolyamat: 2H2O → 4H+ + O2 + 4e– (a képződő oxigén nagy része reagál az anóddal és réz(I)-oxid képződik, ami csapadék formájában leválik )
Abban az esetben, ha grafitelektródok között végeznénk az elektrolízist az anódon oxigén válna le, így ott is intenzív gázfejlődést tapasztalnánk. Réz elektródot használva a helyzet kicsit komplikáltabb, lényegében itt is vízbontás törénik, a katódon ugyanúgy hidrogén válik le, viszont az anódon csak minimális gázfejlődést tapasztalunk. Az anódon szintén oxigén válik le, csak itt a reaktív oxigén reakcióba lép a elektróddal, oxidálja azt, így itt réz(I)-oxid képződik, ami vörösre festi az elektród környékét.
A rendszeren áthaladt töltésmennyiséget a következő egyenlettel tudjuk számolni
Q = I × t
Egy coulomb (C) az a töltésmennyiség, amely egy amper (1 A) áramerősség esetén egy másodperc (1 s) idő alatt átfolyik a vezetőn.
Q = 0,55A × 405s = 222,75As vagy C
Ez alapján kiszámítjuk az elektron moljainak a számát,
n = Q/F, F = Faraday-állandó, ami 96500C/mol
ami
n = 222,75[C]/96500[C/mol] = 2,308×10-3mol
A reakcióegyenletből látjuk, hogy 1 mól hidrogén képződéséhez 2 mol elektron kell, ez alapján a 2,308×10-3 mol elektronunkkal 1,154×10-3 mol hidrogént tudunk felszabadítani.
Avogadro törvényét felhasználva megkapjuk a keletkezett hidrogén térfogatát.
Avogadro törvénye: az azonos térfogatú, azonos hőmérsékletű és nyomású gázok azonos számú részecskét tartalmaznak. Másképpen megfogalmazva: Azonos hőmérsékleten és nyomáson a gázok térfogata az anyagmennyiségükkel arányos.
1 mól hidrogén térfogata 24,5 dm3, (25°C-on és 0,1 MPa nyomáson) így a 0,001154 mól hidrogén térfogata 0,0283dm3, ami 28cm3.
Felhasznált irodalom
https://kemiaerettsegi.hu/elektrokemia_szamitas.html
http://ptlklszl.web.elte.hu/misc/material/elektrokemia.pdf
https://hu.wikipedia.org/wiki/Avogadro-t%C3%B6rv%C3%A9ny