kémiaérettségi.hu
portál kémia érettségire, felvételire készülőknek
Aktuális Letöltések Információk Felkészítés Segédanyagok Fórum
Kezdőlap - Hírek
Blog
Fórum
Feladatsorok
Követelmények
Szóbeli anyagok
Írásbeli vizsga
Szóbeli vizsga
Hasznos linkek
Kapcsolat
Magántanárok
Előkészítő tanfolyamok
Felkészülés önállóan
Elmélet
Számítások
Periódusos rendszer


Számítási feladatok a kémia érettségin


8. Hogyan oldjuk meg az elektrokémia példákat?

Elméleti összefoglalás
- Az elektrokémiai cella lehet galvánelem, vagy elektrolizáló cella.
- Galvánelem az a rendszer, amelyben kémiai reakció következtében elektromos áram termelődik.
- Elektrolizáló cella esetén a helyzet fordított, (külső áramforrásból származó) elektromos áramot használunk kémiai reakció előidézésére.
- Az elektrokémiai cella két elektródból és folyékony, áramvezető elektrolitból áll. Az elektrolit lehet (vizes) oldat, vagy sóolvadék.
- Az elektród felületén végbemenő elektrokémiai reakció (redukció vagy oxidáció) az elektródreakció.
- Amennyiben az elektród anyaga nem vesz részt az elektródreakcióban, indifferens elektródnak nevezzük (pl. grafitelektród).
- Az az elektród, amelyiken oxidáció történik, az anód. A másik elektródon, a katódon redukció történik.
- Elektrolízis esetén, ha többféle elektródreakció lehetséges, akkor
(a) az anódon (pozitív pólus) a halogenidion (klorid, bromid, jodid) fog leválni, ennek hiányában az OH- (vagyis vízbontás történik)
(b) a katódon fémkiválás (fémion-tartalmú oldatból) általában csak akkor várható, ha az adott fém standardpotenciálja pozitív. A hidrogéngáz fejlődése némelyik elektródon gátolt (túlfeszültség), emiatt bizonyos negatív standardpotenciálú fémek (pl. a cink) is leválaszthatók. Alkálifémek, alkáliföldfémek vizes oldatból csak speciális elektródon választhatók le (pl. a nátrium higanyelektródon). Ha nincs fémion, vagy nem választható le, akkor a H+ redukálódik (vízbontás).

Mi lehet a kérdés?
- Elektrolízis során leváló anyagok mennyiségének meghatározása
- Elektrolízis időtartamának meghatározása
- Áramerősség meghatározása
(A fenti három dolog közül kettő ismeretében a harmadik kiszámítható)
- Oldat összetételének változása az elektrolízis során
- Galvánelemben hány mól anyag alakult át az áthaladt töltés függvényében (ill. fordítva)

Felhasználható összefüggések
- Áramerősség - töltésmennyiség összefüggése: Q = I × t
- A cellán áthaladó töltésmennyiség és az elektronok anyagmennyisége közötti összefüggés: Q = n(e-) / F,
ahol F = 96500 C / mol (Faraday-állandó, 1 mol elektron töltése).
- Az ún. Faraday-törvények és az elektrokémiai egyenérték fogalmának használatára nincs szükség (ezek nem mondanak többet a fenti két összefüggésnél, csak a megfogalmazásuk bonyolultabb).


Mintapélda
90,0 cm3 12,00-es pH-jú nátrium-hidroxid-oldatot elektrolizálunk grafitelektródok között. Az elektrolízist 25,0 A-es áramerőséggel végeztük. Az elektrolízis végén az oldat pH-ja 1,00-gyel tér el a kiindulási oldat pH-jától. (Az oldat sűrűségét mindvégig 1,00 g/cm3 -nek tekintsük.)
Mennyi ideig zajlott az elektrolízis?
(2006 május / 9. feladat, 15 pont)

Megoldás
1. Írjuk fel, hogy melyik elektródon milyen részecskék megjelenése várható (figyelembe véve a vízből származó ionokat is)
2. Ha egy elektródon többféle részecske is van, a standardpotenciálok figyelembe vételével állapítsuk meg, melyik fog reagálni
3. Írjuk fel a bruttó folyamat egyenletét (az anód és a katódreakciót adjuk össze úgy, hogy a két oldalon levő elektronok kiejtsék egymást), és azt, hogy végbemeneteléhez mennyi töltés áthaladása (vagyis hány mól elektron) szükséges
(+) anód: OH-
(--) katód: H+, Na+

Elektródreakciók:
(+) anód: 4 
OH- = O2 + 2 H2O + 4e-
(--) katód: 2 
H+ + 2e- = H2

Bruttó egyenlet (az anódreakció egyenletéhez hozzáadjuk a katódreakció egyenletének kétszeresét):
OH- + 4 H+ + 4e- = O2 + 2 H2O + 4e- + 2 H2
Az elektronok kiesnek, az egy oldalon szereplő OH- és H+ ionokat pedig összevonhatjuk:
4 H2O = O2 + 2 H2O + 2 H2
Mindkét oldalból levonhatunk két mol vizet, így megkapjuk a végleges bruttó egyenletet:
H2O = O2 + 2 H2
A folyamathoz 4 mol e- áthaladása szükséges (4 F töltés), vagyis 1 mol víz elbontásához 2 F töltés kell. Ezt így is felírhatjuk:
2. Kiszámítjuk, hogyan változott az oldat összetétele az elektrolízis hatására
Az elektrolízis során vízbontás történt, az oldott anyag (NaOH) mennyisége nem változott, ezért az oldat töményedett, így a pH nőtt.

Az elektrolízis előtt:
pH1 = 12,00  ebből a  pH + pOH = 14 összefüggés alapján pOH = -lg[OH-] = 2,  
így c1 = 10-2 mol / dm3

Az oldatban levő NaOH mennyisége:
n = c1V1 = 10-2 × 90 × 10-3 = 9 × 10-4 mol

Az elektrolízis végén:
pH2 pH1 + 1 = 13,00  ebből pOH = -lg[OH-] = 1  tehát c2 = 10-1 mol / dm3

Az oldatban levő NaOH mennyisége nem változott, így c = n / V összefüggésből kiszámíthatjuk az oldat térfogatát:
V2 = n / c2 = 9 × 10-410-1 = 9 × 10-3 dm3 = 9 cm3

Az oldat térfogatának változása megegyezik az elbomlott víz mennyiségével

V(víz) = V1 - V2 = 90 - 9 = 81 cm3 

Figyelembe véve, hogy az oldat sűrűsége r = 1 g / cm3,

m(víz) = 81 g vizet bontottunk el, ami
n(víz) = m / M = 81 / 18 = 4,5 mol
3. Az átalakult anyag (elbontott víz) mennyiségének ismeretében az elektrolízis időtartama meghatározható
A bruttó egyenlet alapján 1 mol víz elbontásához 2 mol elektron áthaladása szükséges,
4,5 mol víz elbontásához pedig
n(e-) = 4,5 × 2 = 9 mol e- kell.

Az ennek megfelelő töltésmennyiség
Q = n(e-) × F = 9 × 96500 = 868 500 C

Az I = 25 A áramerősség figyelembe vételével az elektrolízis időtartama
t = Q / I = 868 500 / 25 = 34 740 s = 579 min = 9,65 h

További tanácsok
- Elektródfolyamat felírásakor a vízből származó ion (H+ ill. OH-) mindig csak az egyenlet egyik oldalán lehet.
- Bruttó reakcióegyenletben elektron, mint reagens nem szerepelhet.
- Ha egy oldat összetételének változása a kérdés, vegyük figyelembe, hogy az elektrolízis során nemcsak az oldott anyag, hanem az oldat össztömege is változhat (pl. gázfejlődés, fémkiválás miatt csökken)
- A feladat szövegében megadott atom- és móltömegekkel számoljunk (ha meg van adva)
- Ha nincsenek konkrét mennyiségek megadva, csak arányok, százalékos összetételek, akkor számoljunk pl. 100g oldattal.

Ha van még kérdésed...
...akkor irány a fórum!

Gyakorló feladatok

2005 május / 9. feladat (11 pont)

2006 május / 9. feladat (15 pont)

2006 október / 8. feladat (10 pont)

2007 október / 9. feladat (10 pont)



Frissítve: 2013. április 22.
kemiaerettsegi.hu © 2008-2013