17.8: Electrolysis

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza mchakato wa electrolysis
• Linganisha uendeshaji wa seli za electrolytic na ile ya seli za galvanic
• Fanya mahesabu ya stoichiometri kwa michakato ya electrol

Seli za electrochemical ambazo athari za redox za hiari hufanyika (seli za galvanic) zimekuwa mada ya majadiliano hadi sasa katika sura hii. Katika seli hizi, kazi ya umeme inafanywa na mfumo wa redox kwenye mazingira yake kama elektroni zinazozalishwa na mmenyuko wa redox huhamishwa kupitia mzunguko wa nje. Sehemu hii ya mwisho ya sura itashughulikia mazingira mbadala ambayo mzunguko wa nje hufanya kazi kwenye mfumo wa redox kwa kuweka voltage ya kutosha kuendesha majibu yasiyo ya kawaida, mchakato unaojulikana kama electrolysis. Mfano unaojulikana wa electrolysis ni recharging betri, ambayo inahusisha matumizi ya chanzo cha nguvu cha nje ili kuendesha majibu ya kiini ya hiari (kutokwa) katika mwelekeo wa nyuma, kurejesha kwa kiasi fulani muundo wa seli za nusu na voltage ya betri. Labda chini ya ukoo ni matumizi ya electrolysis katika uboreshaji wa ores za metali, utengenezaji wa kemikali za bidhaa, na electroplating ya mipako ya metali kwenye bidhaa mbalimbali (kwa mfano, kujitia, vyombo, sehemu za magari). Ili kuonyesha dhana muhimu za electrolysis, michakato machache maalum itazingatiwa.

Electrolysis ya Kloridi ya Sodiamu iliyoyeyushwa

Metali sodiamu, Na, na klorini gesi, Cl ₂, hutumiwa katika maombi mbalimbali, na uzalishaji wao wa viwanda hutegemea electrolysis kubwa ya kloridi ya sodiamu iliyoyeyuka, NaCl (l). mchakato wa viwanda kawaida anatumia Downs kiini sawa na mfano kilichorahisishwa inavyoonekana katika Kielelezo 17.18. Athari zinazohusiana na mchakato huu ni:

$$\begin{array}{l}\underset{¯}{\begin{array}{l}\text{anode:}2{\text{Cl}}^{\text{-}}(l)⟶{\text{Cl}}_2(g)+{\text{2e}}^{\text{-}}\\ \text{kathodi:}{\text{Na}}^{\text{+}}(l)+{\text{e}}^{\text{-}}⟶\text{Na}(l)\end{array}}\\ \text{kiini:}2{\text{Na}}^{\text{+}}(l)+{\text{2Cl}}^{\text{-}}(l)⟶\text{2Na}(l)+{\text{Cl}}_2(g)\end{array}$$

Uwezo wa seli kwa mchakato hapo juu ni hasi, unaonyesha majibu kama ilivyoandikwa (kuharibika kwa NaCl kioevu) sio kwa hiari. Ili kulazimisha mmenyuko huu, uwezo mzuri wa ukubwa mkubwa zaidi kuliko uwezo wa seli hasi lazima utumike kwenye seli.

Kielelezo 17.18 seli za aina hii (kiini kwa electrolysis ya kloridi ya sodiamu iliyoyeyuka) hutumiwa katika mchakato wa Downs kwa ajili ya uzalishaji wa sodiamu na klorini, na kwa kawaida hutumia cathodes za chuma na anodes za kaboni.

Electrolysis ya Maji

Maji inaweza kuwa electrolytically kuoza katika kiini sawa na moja mfano katika Kielelezo 17.19. Ili kuboresha conductivity umeme bila kuanzisha aina tofauti redox, ioni hidrojeni mkusanyiko wa maji ni kawaida kuongezeka kwa kuongeza ya asidi kali. Michakato ya redox inayohusishwa na kiini hiki ni

$$\begin{array}{c}\underset{¯}{\begin{array}{llllll}\text{anode:}2{\text{H}}_2\text{O}(l)⟶{\text{O}}_2(g)+{\text{SAA 4}}^{\text{+}}(aq)+{\text{4e}}^{\text{-}}& & & \hfill E_{\text{anodi}}^{°}& =\hfill & \text{+1.229 V}\hfill \\ \text{kathodi:}2{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+{\text{2e}}^{\text{-}}⟶{\text{H}}_2(g)\hfill & & & \hfill E_{\text{kathodi}}^{°}& =\hfill & \text{0 V}\hfill \end{array}}\hfill \\ \begin{array}{cccccc}\text{kiini:}2{\text{H}}_2\text{O}(l)⟶{\text{2H}}_2(g)+{\text{O}}_2(g)\hfill & & & \hfill E_{\text{kiini}}^{°}& =\hfill & \text{-1.229 V}\hfill \end{array}\hfill \end{array}$$

Tena, uwezo wa seli kama imeandikwa ni hasi, kuonyesha nonspecifically kiini majibu ambayo lazima inaendeshwa na kuweka voltage kiini kubwa kuliko 1.229 V.Kumbuka kwamba kiwango electrode uwezo ni kutumika kwa taarifa utabiri thermodynamic hapa, ingawa kiini si kazi chini ya hali ya hali ya kawaida. Kwa hiyo, kwa bora, uwezekano wa kiini uliohesabiwa unapaswa kuchukuliwa makadirio ya ballpark.

Kielelezo 17.19 Electrolysis ya maji hutoa kiasi cha stoichiometric cha gesi ya oksijeni kwenye anode na hidrojeni kwenye anode.

Electrolysis ya Kloridi ya Sodiamu yenye maji

Wakati ufumbuzi wa maji ya misombo ionic ni electrolyzed, anode na cathode nusu-athari inaweza kuhusisha electrolysis ya aina ama maji (H ₂ O, H ⁺, OH ^-) au aina solute (cations na anions ya kiwanja). Kwa mfano, electrolysis ya kloridi ya sodiamu yenye maji inaweza kuhusisha mojawapo ya athari hizi mbili za anode:

$$\begin{array}{cccccc}(\text{i})2{\text{Cl}}^{\text{-}}(aq)⟶{\text{Cl}}_2(g)+2{\text{e}}^{\text{-}}\hfill & & & \hfill E_{\text{anodi}}^{°}& =\hfill & \text{+1.35827 V}\hfill \\ (\text{ii})2{\text{H}}_2\text{O}(l)⟶{\text{O}}_2(g)+4{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+4{\text{e}}^{\text{-}}\hfill & & & \hfill E_{\text{anodi}}^{°}& =\hfill & \text{+1.229 V}\hfill \end{array}$$

Uwezekano wa kiwango cha electrode (kupunguza) wa athari hizi mbili za nusu zinaonyesha maji yanaweza kuwa iliyooksidishwa kwa uwezo mdogo wa hasi/chanya zaidi (—1.229 V) kuliko ioni ya kloridi (—1.358 V). Kwa hivyo Thermodynamics inabiri kwamba maji yangekuwa yameoksidishwa kwa urahisi zaidi, ingawa katika mazoezi inazingatiwa kuwa maji na ioni ya kloridi huoksidishwa chini ya hali ya kawaida, huzalisha mchanganyiko wa oksijeni na gesi ya klorini.

Kugeuka makini na cathode, uwezekano wa kupunguza ni:

$$\begin{array}{cccccc}(\text{iii}){\text{2H}}^{\text{+}}(aq)+2{\text{e}}^{\text{-}}⟶{\text{H}}_2(g)\hfill & & & \hfill E_{\text{kathodi}}^{°}& =\hfill & \text{0 V}\hfill \\ (\text{iv}){\text{2H}}_2\text{O}(l)+2{\text{e}}^{\text{-}}⟶{\text{H}}_2(g)+2{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)\hfill & & & \hfill E_{\text{kathodi}}^{°}& =\hfill & \text{-0.8277 V}\hfill \\ (\text{v}){\text{Na}}^{\text{+}}(aq)+{\text{e}}^{\text{-}}⟶\text{Na}(s)\hfill & & & \hfill E_{\text{kathodi}}^{°}& =\hfill & \text{-2.71 V}\hfill \end{array}$$

Ulinganisho wa uwezekano huu wa kawaida wa nusu ya mmenyuko unaonyesha kupungua kwa ioni ya hidrojeni ni thermodynamically Maria. Hata hivyo, katika neutral maji sodium chloride ufumbuzi mkusanyiko wa ioni hidrojeni ni mbali chini ya kiwango hali thamani ya 1 M (takriban 10 ^-7 M), na hivyo aliona cathode majibu ni kweli kupunguza maji. Majibu ya seli ya wavu katika kesi hii ni basi

$$\text{kiini: 2}{\text{H}}_2\text{O}(l)+2{\text{Cl}}^{\text{-}}(aq)⟶{\text{H}}_2(g)+{\text{Cl}}_2(g)+2{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)E_{\text{kiini}}^{°}=\mathrm{-2.186\; V}$$

Menyu hii ya electrolysis ni sehemu ya mchakato wa klori-alkali unaotumiwa na sekta ya kuzalisha klorini na hidroksidi ya sodiamu (lye).

Kemia katika Maisha ya Kila siku

Electroplating

Matumizi muhimu kwa seli za electrolytic ni katika electroplating. Electroplating matokeo katika mipako nyembamba ya chuma moja juu ya uso conductive. Sababu za electroplating ni pamoja na kufanya kitu zaidi sugu kutu, kuimarisha uso, kuzalisha kumaliza zaidi ya kuvutia, au kwa ajili ya kutakasa chuma. Metali zinazotumiwa kwa kawaida katika electroplating ni pamoja na cadmium, chromium, shaba, dhahabu, nikeli, fedha, na bati. Bidhaa za kawaida za walaji ni pamoja na meza ya fedha iliyopambwa au dhahabu-iliyopambwa, sehemu za magari za chrome-plated, na kujitia. Mchoro wa fedha wa vyombo vya kula hutumiwa hapa ili kuonyesha mchakato. (Kielelezo 17.20).

Kielelezo 17.20 Mpangilio huu unaonyesha kiini cha electrolytic kwa vyombo vya kula fedha.

Katika takwimu, anode ina electrode ya fedha, iliyoonyeshwa upande wa kushoto. Cathode iko upande wa kulia na ni kijiko, ambacho kinafanywa kwa chuma cha gharama nafuu. Wote electrodes huingizwa katika suluhisho la nitrati ya fedha. Kutumia matokeo ya kutosha katika oxidation ya anode ya fedha

$$\text{anode: umri}(s)⟶{\text{Ag}}^{\text{+}}(aq)+{\text{e}}^{\text{-}}$$

na kupunguza ion fedha katika cathode (kijiko):

$${\text{cathode: Ag}}^{\text{+}}(aq)+{\text{e}}^{\text{-}}⟶\text{Ag}(s)$$

Matokeo halisi ni uhamisho wa chuma cha fedha kutoka kwa anode hadi cathode. Sababu kadhaa za majaribio zinapaswa kudhibitiwa kwa uangalifu ili kupata mipako ya fedha yenye ubora, ikiwa ni pamoja na muundo halisi wa suluhisho la electrolyte, voltage ya seli inayotumiwa, na kiwango cha mmenyuko wa electrolysis (umeme wa sasa).

Mambo ya upimaji wa Electrolysis

Sasa umeme hufafanuliwa kama kiwango cha mtiririko kwa aina yoyote ya kushtakiwa. Muhimu zaidi kwa mjadala huu ni mtiririko wa elektroni. Sasa hupimwa katika kitengo cha composite kinachoitwa ampere, kinachofafanuliwa kama coulomb moja kwa pili (A = 1 C/s). Malipo yaliyohamishwa, Swali, kwa kifungu cha sasa cha mara kwa mara, mimi, juu ya muda maalum, t, hutolewa na bidhaa rahisi ya hisabati

$$Q=It$$

Wakati elektroni zinahamishwa wakati wa mchakato wa redoksi, stoichiometri ya mmenyuko inaweza kutumika kupata jumla ya malipo (elektroniki) yanayohusika. Kwa mfano, mchakato wa kupunguza generic

$${\text{M}}^{\text{n}\text{+}}(aq)+{\text{ne}}^{\text{-}}⟶\text{M}(s)$$

inahusisha uhamisho wa n mole ya elektroni. Malipo ya kuhamishwa ni, kwa hiyo,

$$Q=nF$$

ambapo F ni mara kwa mara ya Faraday, malipo katika coulombs kwa mole moja ya elektroni. Ikiwa mmenyuko unafanyika katika kiini cha electrochemical, mtiririko wa sasa unapimwa kwa urahisi, na inaweza kutumika kusaidia katika mahesabu ya stoichiometric kuhusiana na mmenyuko wa seli.

Mfano 17.9

Kubadilisha Sasa kwa Moles ya elektroni

Katika mchakato mmoja uliotumiwa kwa fedha za electroplating, sasa ya 10.23 A ilipitishwa kupitia kiini cha electrolytic kwa saa 1. Ni moles ngapi za elektroni zilizopita kupitia kiini? Ni kiasi gani cha fedha kilichowekwa kwenye cathode kutoka suluhisho la nitrati ya fedha?

Suluhisho

Mara kwa mara ya Faraday inaweza kutumika kubadili chaji (Q) kuwa moles ya elektroni (n). Malipo ni ya sasa (I) imeongezeka kwa wakati

$$n=\frac{Q}{F}=\frac{\frac{\text{10.23 C}}{\text{s}}\times \text{1 hr}\times \frac{\text{60 min}}{\text{hr}}\times \frac{\text{60 s}}{\text{min}}}{9{\text{6,485 c/mol e}}^{\text{-}}}=\frac{\text{36,830 C}}{\text{96,485 C/mol}{\text{e}}^{\text{-}}}=0.381{\text{7 mold e}}^{\text{-}}$$

Kutoka tatizo, suluhisho lina AgNo ₃, hivyo majibu ya cathode inahusisha 1 mole ya elektroni kwa kila mole ya fedha

$${\text{cathode: Ag}}^{\text{+}}(aq)+{\text{e}}^{\text{-}}⟶\text{Ag}(s)$$

Masi ya atomiki ya fedha ni 107.9 g/mol, hivyo

$$\text{molekuli Ag}={\text{0.3817 mold e}}^{\text{-}}\times \frac{\text{1 mold umri}}{{\text{1 mold e}}^{\text{-}}}\times \frac{\text{107.9 kilo Umri}}{\text{1 mold umri}}=4\text{1.19 g Umma}$$

Angalia Kujifunza Yako

Chuma cha alumini kinaweza kufanywa kutoka kwa alumini (III) ions na electrolysis. Je, ni nusu ya mmenyuko katika cathode? Ni umati gani wa chuma cha alumini ungepatikana ikiwa sasa ya 25.0 A ilipita kupitia suluhisho kwa dakika 15.0?

Jibu:

${\text{Al}}^{\mathrm{3+}}(aq)+3{\text{e}}^{\text{-}}⟶\text{Al}(s);$0.0777 mol Al = 2.10 g Al.

Mfano 17.10

Muda unahitajika kwa ajili ya Uhifadhi

Katika maombi moja, safu ya 0.010-mm ya chromium inapaswa kuwekwa kwa sehemu na jumla ya eneo la uso wa 3.3 m ² kutoka suluhisho la zenye ions za chromium (III). Itachukua muda gani ili kuweka safu ya chromium ikiwa sasa ilikuwa 33.46 A? Uzito wa chromium (chuma) ni 7.19 g/cm ³.

Suluhisho

Kwanza, compute kiasi cha chromium ambacho kinapaswa kuzalishwa (sawa na bidhaa ya eneo la uso na unene):

$$\text{kiasi}=\left(\text{0.010 mm}\times \frac{\text{1 cm}}{\text{10 mm}}\right)\times \left(3.3{\text{m}}^2\times \left(\frac{\mathrm{10,000}{\text{sentimita}}^2}{1{\text{m}}^2}\right)\right)={\text{33 cm}}^3$$

Tumia kiasi cha computed na wiani uliotolewa ili kuhesabu kiasi cha molar cha chromium kinachohitajika:

$$\text{misa}=\text{kiasi}\times \text{wiani}=33\sout{{\text{sentimita}}^3}\times \frac{\text{7.19 g}}{\sout{{\text{sentimita}}^3}}=\text{237 g Cr}$$

$$\text{mold Car}=\text{237 g Cr}\times \frac{\text{1 mold Gari}}{\text{52.00 g Gari}}=\text{4.56 mold Gari}$$

Stoichiometry ya mchakato wa kupunguza chromium (III) inahitaji moles tatu za elektroni kwa kila mole ya chromium (0) zinazozalishwa, na hivyo malipo ya jumla yanayotakiwa ni:

$$Q=\text{4.56 mold Gari}\times \frac{3{\text{mold e}}^{\text{-}}}{\text{1 mold Gari}}\times \frac{\text{96485 C}}{{\text{mold e}}^{\text{-}}}=1.32\times {10}^6\text{C}$$

Hatimaye, ikiwa malipo haya yanapitishwa kwa kiwango cha 33.46 C/s, muda unaohitajika ni:

$$t=\frac{Q}{I}=\frac{1.32\times {10}^6\text{C}}{\text{33.46 c/s}}=3.95\times {10}^4\text{s}=\text{11.0 hr}$$

Angalia Kujifunza Yako

Ni umati gani wa zinki unahitajika kutengeneza juu ya 3.00 m$\times$5.50 m karatasi ya chuma kwa unene wa 0.100 mm ya zinki? Ikiwa zinki hutoka kwa suluhisho la Zn (NO ₃) ₂ na sasa ni 25.5 A, itachukua muda gani ili kuimarisha juu ya chuma? Uzito wa zinki ni 7.140 g/cm ³.

Jibu:

11.8 kg Zn inahitaji masaa 382.