Κεφάλαιο 1.4 – Νόμος ηλεκτρόλυσης. Νόμοι Faraday – Υπολογισμοί (σελ. 32-41) – Απαντήσεις – Λύσεις

Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα

Άσκηση Ε12 (σελ. 33)

Ποιο είναι το φορτίο 1 mol ηλεκτρονίων;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση της σταθεράς Faraday.

Απάντηση: Το φορτίο 1 mol ηλεκτρονίων (N_A ηλεκτρόνια) ισούται με 1 Faraday, δηλαδή περίπου 96500 C.

Άσκηση 47 (σελ. 40)

Ένα Faraday είναι: α. Ποσότητα φορτίου ίση με 1 C. β. Ποσότητα στοιχείου που αποτίθεται ηλεκτρολυτικά όταν περάσει φορτίο 96500 C. γ. Ποσότητα φορτίου 1 mol ηλεκτρονίων, περίπου ίση με 96500 C.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Το Faraday είναι μονάδα φορτίου, όχι μονάδα ποσότητας ουσίας — η ποσότητα ουσίας που αποτίθεται εξαρτάται επιπλέον από το σθένος του ιόντος.

Λύση:

1. α. Λάθος τιμή· 1 F = 96500 C, όχι 1 C.
2. β. Λάθος: το Faraday είναι μονάδα φορτίου, όχι σταθερή ποσότητα αποτιθέμενης ουσίας (αυτή εξαρτάται από το σθένος του ιόντος).
3. γ. Σωστός ορισμός: 1 F = φορτίο 1 mol e⁻ ≈ 96500 C.

Απάντηση: γ. Ποσότητα φορτίου 1 mol ηλεκτρονίων, περίπου ίση με 96500 C.

Άσκηση 49 (σελ. 41)

Ποσότητα φορτίου περνά από διάλυμα AgNO₃ και αποθέτει 5,4 g Ag. Ποια μάζα Cu θα αποτεθεί όταν η ίδια ποσότητα φορτίου περάσει από διάλυμα CuSO₄;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Η ίδια ποσότητα φορτίου αντιστοιχεί στα ίδια mol ηλεκτρονίων· βρίσκουμε πρώτα τα mol e⁻ από την απόθεση Ag, μετά τα mol Cu που αντιστοιχούν στα ίδια mol e⁻.

Λύση:

1. Ag⁺+e⁻→Ag: mol Ag = 5,4/108 = 0,05 mol = mol e⁻
2. Cu²⁺+2e⁻→Cu: mol Cu = mol e⁻/2 = 0,05/2 = 0,025 mol
3. m(Cu) = 0,025×63,5 = 1,5875 g

Απάντηση: Θα αποτεθούν 1,5875 g Cu.

Άσκηση 50 (σελ. 41)

Κατά την ηλεκτρόλυση διαλύματος CuSO₄ με αδρανή ηλεκτρόδια εκλύεται στην άνοδο O₂ (2OH⁻→H₂O+½O₂+2e⁻). Με φορτίο 4 Faraday, πόσα mol O₂ ελευθερώνονται; α. 4 mol. β. 1 mol. γ. 2 mol. δ. 0,5 mol.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Από την ημιαντίδραση, ανά 2 mol e⁻ ελευθερώνεται ½ mol O₂.

Λύση:

1. 4 F = 4 mol e⁻
2. Αναλογία 2 mol e⁻ : ½ mol O₂ = 4 mol e⁻ : x ⟹ x = (4×0,5)/2 = 1 mol O₂

Απάντηση: β. 1 mol O₂.

Άσκηση 51 (σελ. 41)

Ποσότητα φορτίου περνά από διάλυμα MgBr₂ και σχηματίζει 0,04 mol Br₂. Πόσα mol O₂ θα ελευθερωθούν όταν διπλάσια ποσότητα φορτίου περάσει από διάλυμα H₂SO₄ (άνοδος: 2OH⁻-2e⁻→H₂O+½O₂);

Σκέψη / Μεθοδολογία: Βρίσκουμε πρώτα τα mol e⁻ από τον σχηματισμό Br₂, διπλασιάζουμε, και υπολογίζουμε τα αντίστοιχα mol O₂.

Λύση:

1. 2Br⁻-2e⁻→Br₂: mol e⁻ = 2×mol Br₂ = 2×0,04 = 0,08 mol
2. Διπλάσιο φορτίο ⟹ mol e⁻ = 2×0,08 = 0,16 mol
3. 2OH⁻-2e⁻→H₂O+½O₂: mol O₂ = mol e⁻×(0,5/2) = 0,16×0,25 = 0,04 mol

Απάντηση: Θα ελευθερωθούν 0,04 mol O₂.

Άσκηση 52 (σελ. 41)

Κατά την ηλεκτρόλυση διαλύματος που περιέχει NaCl, MgBr₂ και KI, ποιο στοιχείο θα σχηματιστεί πρώτα στην άνοδο; Ποιο στην κάθοδο;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Χρησιμοποιούμε τη σειρά εκφόρτισης: στην άνοδο εκφορτίζεται προτιμότερα το ανιόν που βρίσκεται νωρίτερα στη σειρά S²⁻,OH⁻,I⁻,[H₂O],Br⁻,Cl⁻,...· στην κάθοδο εξετάζουμε αν κάποιο από τα παρόντα κατιόντα (Na⁺,Mg²⁺,K⁺) προηγείται του [H₂O] στη σειρά της καθόδου.

Λύση:

1. Άνοδος: από τα παρόντα ανιόντα Cl⁻, Br⁻, I⁻, το I⁻ είναι το πρώτο στη σειρά εκφόρτισης ⟹ σχηματίζεται πρώτα I₂.
2. Κάθοδος: τα Na⁺, Mg²⁺, K⁺ βρίσκονται ΜΕΤΑ το [H₂O] στη σειρά εκφόρτισης της καθόδου ⟹ δεν εκφορτίζονται αυτά, αλλά το νερό, σχηματίζοντας H₂.

Απάντηση: Στην άνοδο σχηματίζεται πρώτα I₂. Στην κάθοδο σχηματίζεται H₂.

Άσκηση 53 (σελ. 41)

Ηλεκτρολύεται διάλυμα AgNO₃ με άνοδο Ag και κάθοδο μεταλλικό πιρούνι προς επαργύρωση. Με ένταση ρεύματος 0,01 A, η μάζα του πιρουνιού αυξήθηκε κατά 0,108 g. Πόσο χρόνο διήρκεσε η επαργύρωση;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Βρίσκουμε τα mol Ag που αποτέθηκαν, μετά το φορτίο που πέρασε, και τέλος τον χρόνο από τη σχέση q=I·t.

Λύση:

1. Ag⁺+e⁻→Ag: mol Ag = 0,108/108 = 0,001 mol = mol e⁻
2. q = mol e⁻ × F = 0,001×96500 = 96,5 C
3. t = q/I = 96,5/0,01 = 9650 s

Απάντηση: Η επαργύρωση διήρκεσε 9650 s.

Άσκηση 54 (σελ. 41)

Αν ηλεκτρολυθεί για λίγο χρόνο, με αδρανή ηλεκτρόδια, διάλυμα που περιέχει CuSO₄ και ZnSO₄, στα δύο ηλεκτρόδια θα ελευθερωθούν: α. Cu και Zn. β. Cu και H₂. γ. Cu και O₂. δ. Zn και O₂.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Στην κάθοδο, ανάμεσα σε Cu²⁺ και Zn²⁺, εκφορτίζεται προτιμότερα το Cu²⁺ (βρίσκεται πολύ νωρίτερα στη σειρά εκφόρτισης). Στην άνοδο, με μοναδικό διαθέσιμο ανιόν το SO₄²⁻ (οξυγονούχο, δύσκολα εκφορτιζόμενο), εκφορτίζεται το νερό, δίνοντας O₂.

Λύση:

1. Κάθοδος: Cu²⁺ προηγείται πολύ του Zn²⁺ στη σειρά εκφόρτισης ⟹ αποτίθεται Cu, όχι Zn.
2. Άνοδος: το SO₄²⁻ είναι οξυγονούχο ιόν, δύσκολα εκφορτίζεται ⟹ εκφορτίζεται το [H₂O], παράγοντας O₂.

Απάντηση: γ. Cu και O₂.

Άσκηση 59 (σελ. 42)

Ηλεκτρολύεται διάλυμα NaCl 5,85% w/w μάζας 2 kg, επί χρόνο t=16 min και 5 s, με ρεύμα έντασης I=2 A. α. Ποιες οι μάζες των αερίων που ελευθερώνονται στην άνοδο και την κάθοδο; β. Ποια η μάζα του διαλύματος μετά την ηλεκτρόλυση;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Βρίσκουμε το φορτίο q=It, τα mol e⁻, και από τις δύο ημιαντιδράσεις (κάθοδος: 2H₂O+2e⁻→H₂+2OH⁻, άνοδος: 2Cl⁻-2e⁻→Cl₂) τις μάζες H₂ και Cl₂ — η νέα μάζα διαλύματος προκύπτει αφαιρώντας τη μάζα των αερίων που διαφεύγουν.

Λύση:

1. t = 16×60+5 = 965 s ⟹ q = I×t = 2×965 = 1930 C
2. mol e⁻ = 1930/96500 = 0,02 mol
3. Κάθοδος: 2H₂O+2e⁻→H₂+2OH⁻ ⟹ mol H₂ = 0,02/2 = 0,01 mol ⟹ m(H₂) = 0,01×2 = 0,02 g
4. Άνοδος: 2Cl⁻-2e⁻→Cl₂ ⟹ mol Cl₂ = 0,02/2 = 0,01 mol ⟹ m(Cl₂) = 0,01×71 = 0,71 g
5. Νέα μάζα διαλύματος = 2000 - 0,02 - 0,71 = 1999,27 g (τα αέρια H₂ και Cl₂ διαφεύγουν από το διάλυμα)

Απάντηση: α. Ελευθερώνονται 0,02 g H₂ στην κάθοδο και 0,71 g Cl₂ στην άνοδο. β. Η μάζα του διαλύματος μετά την ηλεκτρόλυση είναι 1999,27 g.

Πρόσεξε:

• Η μάζα του NaCl (117 g) δεν μεταβάλλεται σημαντικά σε αυτή τη σύντομη ηλεκτρόλυση σε σχέση με το ζητούμενο — η ερώτηση αφορά μόνο τη μάζα του διαλύματος που αλλάζει λόγω απώλειας των αερίων προϊόντων.