chemie elektrolýza
Ahoj, mám problém s těmito příklady do chemie. V příkladu 1 a 2 mi připadá, že je tam málo údajů, nemůžu najít žádné vzorce, z kterých bych to vytáhla. A u příkladu číslo 3 mi nějak nesedí látkové množství nebo co:/
1) Kolik elektrické energie je zapotřebí k výrobě 100 kg elektrolytické mědi, jestliže napětí na svorkách elektrolyzéru je 1,5 V a proudový výtěžek 90 %.[]140,6kWh)
2) Hořčík se vyrábí elektrolýzou taveniny MgCl2. Proudový výtěžek je 88 %, použité napětí 6 V. Jak velké byly náklady na elektrickou energii k získání 1 tuny hořčíku, stála-li 1 kWh 5,00 Kč? [75186kč]
3) K demonstračním pokusům je třeba připravit 2,5 dm3 třaskavého plynu. Jak dlouho musí při teplotě 22 °C a tlaku 100,0 kPa procházet roztokem zředěné kyseliny sírové proud o intenzitě 2,5 A?
1) Kolik elektrické energie je zapotřebí k výrobě 100 kg elektrolytické mědi, jestliže napětí na svorkách elektrolyzéru je 1,5 V a proudový výtěžek 90 %.[]140,6kWh)
2) Hořčík se vyrábí elektrolýzou taveniny MgCl2. Proudový výtěžek je 88 %, použité napětí 6 V. Jak velké byly náklady na elektrickou energii k získání 1 tuny hořčíku, stála-li 1 kWh 5,00 Kč? [75186kč]
3) K demonstračním pokusům je třeba připravit 2,5 dm3 třaskavého plynu. Jak dlouho musí při teplotě 22 °C a tlaku 100,0 kPa procházet roztokem zředěné kyseliny sírové proud o intenzitě 2,5 A?
Odpovědi
Diskuze
1. Faradayův zákon: m = A*I*t; 2. Faradaiův zákon: A = M/(F*z); F = 96485C/mol; Pro Cu++ z = 2
Q(C) = I*t (Coulomb = Ampér*sekunda); práce W = U*I*t = U*Q
A z těchto vztahů dostaneme:
m = Q*M/(96,485*2) => Q = 10^5g*2*96485/63,55 = 3,0365*10^8 A*sec; proudový výtěžek je 90%:
Q = 3,0365*10^8/0,9 = 3,374*10^8; W = 3,374*10^8(A*sec)*1,5(V) = 5,061*10^8Wsec
1kWh = 1000W*3600sec = 3,6*10^6Wsec; W = 5,061*10^8/3,6*10^6 = 140,58kWh.
2: Naprosto stejným postupem spočítáš elektrickou práci a pak navíc její cenu. Pokud by ti to nevycházelo, tak napiš.
3: Budeme vycházet z toho, že vodík a kyslík se za těchto podmínek dostatečně blíží ideálnímu plynu. Látkové množství bude:
n = p*V/(R*T) = 10^5Pa*2,5*10^-3m3/(8,3145*295,15K) = 0,102mol.
Třaskavý plyn je směsí H2+O2 v látkovém poměru 2:1, 0,102mol tedy obsahuje 0,034mol O2 a 0,068mol H2. Proud, který na katodě vyloučí mol H2, současně vyloučí na anodě 0,5 molu O2, můžeme tedy počítat jen produkci vodíku, kyslík bude vedlejším produktem. Pro H by bylo z=1, budeme-li uvažovat částici H2, bude z = 2.
Q = n*96485C = 0,068*96485 = 6561Asec; t = Q/I = 6561/2,5 = 2624sec.
OK?
ale bohužel se mi to nějak nepodařilo. Zkoušela jsem to různě přes stavovou rovnici a jinak, ale pořád dělám něco zle. Takové příklady nenávidím, protože potom zjistím, že je to vlastně lehké. Můžu poprosit o pomoc?
Q = n*96485C = 0,068*96485 = 6561Asec; t = Q/I = 6561/2,5 = 2624sec; má být
Q = n*F*z = 0,068*96485*2 = 13122C; T = Q/I = 13122/2,5 = 5249sec.
Rozdíl je zaokrouhlovacími chybami.
K tomu předposlednímu příspěvku: jestliže F = 96485C, pak když roztokem projde tento náboj, vyloučí se 1 mol H + 0,5mol O = 0,5mol H2 a 0,25mol O2, celkem tedy 0,75 mol třaskavého plynu. Zatím, co proton (H+) potřebuje převzít 1 elektron (z=1) O(2-) musí odevzdat 2 elektrony. Aby se tedy vyloučil atom kyslíku, musí se vyloučit dva atomy vodíku.
OK?
Já u toho posledního příkladu spíš nerozumím tomu, proč nemůžu počítat rovnou s n = 1,5 mol, který vzknikne elektrolýzou 1 molu H2O. Nebo je to dané právě tím, že projde ten 1F? Píšeš, že se vyloučí 1 mol H a 0,5 O, ale tohle by přece už měli být molekuly ne?
Když si to ještě jednou pozorně přečteš, zjistíš, že látková množství 1 mol H (atomů vodíku) a 0,5molu O (atomů kyslíku) se vyloučí průchodem náboje, rovného Faradayově konstantě 96485C. Její hodnota byla určena tím, že vyloučí právě 1 mol jednovazného iontu - Ag+, H+, nebo 0,5molu dvojvazného nebo 1/3 molu trojvazného iontu. Elektrolýzou se vylučují ionty, bez ohledu na to, odkud pocházejí. Mluvíme sice o rozkladu vody, ale ve skutečnosti atomy vodíku pocházejí z H3O+, vzniklých přídavkem kyseliny a kyslík reakcí iontů SO4--:
H2SO4 + 2H2O = 2H3O+ + SO4--; H3O+ + e = H + H2O na katodě
SO4-- + 2H2O = H2SO4 + 2OH-; 2OH- - 2e = O + H2O na anodě.
Obě reakce mohou být jiné, v závislosti na druhu, koncentraci a proudové hustotě. Při vysoké koncentraci kyseliny může na anodě vznikat peroxodisírová kyselina, za jiných podmínek peroxid vodíku H2O2.
A konečně - můžeš počítat s čím chceš. Ale nemáš zadané množství rozložené vody, ale objem směsi H2 + O2. Současně máš zadané podmínky - vedle objemu teplotu a tlak. Z toho můžeš počítat látkové množství směsi a z reakce znaáš poměr složek, takže můžeš počítat látkové množství H2. Z něj pak počítaš náboj - Q = z*F*n, kde pro H2 je z=2 a čas t = Q/I. Samozřejmě to jde spojit do jednoho vztahu: t = z*n*F/I.
Nakonec bych ještě připomenul rozměr Faradayovy konstanty - C/mol = A*sec/mol. Počet elektronů potřebný k vyloučení jedné částice je pro H2 z=2 a je bezrozměrné číslo.
t = 2*F(A*sec/mol)*n(mol)/I(A) = A*sec*mol/(mol*A) = sec; rozměrová analýza (do vztahu jsme dosadili rozměry) nám potvrzuje správnost vztahu.