Elektrokémia – OKTV feladatok
Vissza az elektrokémia témakörhöz!
5/o-1 (2008/2/2/3)
Egy hangyasavoldat 10,0 cm3-es részletéhez 20 cm3 20
a) Írjuk fel a lejátszódó folyamatok egyenletét!
b) Mi a kiindulási hangyasavoldat pH-ja (a kénsav hozzáadása előtt)?
Ks[HCOOH] = 1,78·10–4 mol/dm3; F = 96500 C/mol
5/o-2 (2008/2/2/5)
Nagyon elterjedt a nikkel védő vagy díszítő bevonatként történő alkalmazása a legkülönbözőbb tárgyakon. A nikkelréteg felvitele legegyszerűbben úgy történik, hogy a bevonandó fémet egy elektrolizáló cellában katódnak kapcsolják, az elektrolit pedig nikkelsó vizes oldata. Ez a művelet a galvanizálás.
Létezik azonban a nikkelréteg leválasztásának egy árammentes változata is, ami drágább ugyan, mint a hagyományos galvanizálás, de versenyképes azzal, ha finom részletekkel rendelkező tárgyat kell bevonni, bizonyos anyagok (pl. műanyagok) esetén pedig alapvető fontosságú.
A folyamat lényege, hogy a bevonandó tárgyat NiCl2 vagy NiSO4 vizes oldatába mártják, majd erős redukálószert adnak hozzá. A nikkelionok elemi nikkellé redukálódnak, s az – a körülmények pontos megválasztása esetén – egyenletes rétegben lerakódik a tárgy felületére. A legjobban bevált redukálószer a nátrium-hipofoszfit (NaH2PO2), mely a hipofoszforossav nevű egyértékű sav sója.
A hipofoszfition savas, ill. semleges közegben az alábbi kiegészítendő reakcióegyenlet szerint redukál:
H2PO2– + H2O → HPO32– + H3O+ + e–
a) Rajzoljuk fel a hipofoszforossav molekulájának szerkezeti képletét!
b) Miért nem alkalmazható a galvanizálás műanyagok felületének nikkellel történő bevonására?
c) Írjuk fel az árammentes nikkelleválasztás során lejátszódó reakció egyenletét!
Egy összesen 240 cm2 felületű tárgyra 30 μm (1 μm = 10–6 m) vastagságban kell leválasztani nikkelt.
d) Számítsa ki a fent említett nikkelréteg leválasztásának elméleti költségét az elektrolízis, ill. az árammentes módszer esetén! Az elektrolízist 3,0 V feszültséggel végezzük.
1 kg NiSO4 · 7 H2O ára 23400 Ft
1 kg NaH2PO2 ·H2O ára 16000 Ft
1 kWh elektromos áram ára 38 Ft
valamint W = U · I · t
Ar(H) = 1,0; Ar(O) = 16,0; Ar(Na) = 23,0; Ar(P) = 31,0; Ar(Ni) = 58,7; Ar(S) = 32,1
ρ(Ni) = 8,9 g/cm3; F = 96500 C/mol
5/o-3 (2011/2/2/6)
A primer alkoholokat nem egyszerű úgy oxidálni, hogy csak a megfelelő aldehid keletkezzen. Egy erre alkalmas eljárás a nemvizes közegben történő elektrolízis.
Az oxidáció végrehajtásához egy 100 cm3-es elektrolizálócellába (I. cella) 80 cm3 9:1 arányú metanol-ecetsav elegyet töltünk, bemérünk hozzá 2,44 g (4-metil-fenil)-metanolt és 0,44 g NaBF4-et (ez a nem reaktív só az elektródrekciókban nem vesz részt). Egy másik 100 cm3-es cellába (II. cella) 80,0 cm3 1,00 mol/dm3 koncentrációjú vizes KI-oldatot töltünk. A két cellát sorba kötjük, és áramot vezetünk át rajtuk. Az elektrolízis végeztével a II. cellában lévő oldatból 5,00 cm3-t kiveszünk, és a kivált jódot 0,300 mol/dm3 koncentrációjú nátriumtioszulfát-oldattal megtitráljuk: a fogyás 11,2 cm3. (Az elektrolízis során az oldat térfogatváltozása elhanyagolható.)
a) Írja fel a II. cellában lejátszódó elektródfolyamatok egyenletét! Az I. cellában para-metil-benzaldehid képződött. Az elektrolízis befejezése után vizet adunk a reakcióelegyhez, dietil-éterrel kioldjuk a szerves anyagokat, majd a keverékből desztillációval elkülönítjük a megmaradt kiindulási anyagot és a terméket. A para-metil-benzaldehid mennyisége 2,06 g-nak adódott. d) Mi a szerepe a NaBF4-nek a cellában? 5/o-4 (2013/2/2/6) A vegyipar hatalmas mennyiségben állítja elő a nátrium-klorátot (NaClO3) NaCl-oldat folyamatos keverés közben végzett elektrolízisével. A folyamat kezdeti lépései során az anódon a kloridionok oxidálódnak, a képződő klór azonban elhanyagolható mértékben távozik el az elektródról, mert azonnal reakcióba lép a vízzel. A katódon gyakorlatilag csak a víz redukciója megy végbe. a) Írja fel a három fent említett reakció egyenletét! A klorát képződése kétféle reakcióúton történhet: 12 OCl– + 6 H2O → 4 ClO3– + 12 H+ + 8 Cl– + 3 O2 + 12 e– b) Írja fel a diszproporció egyenletét! Az ipari eljárás során úgy választják meg a körülményeket, hogy a klorát elsősorban ne anódos oxidációval képződjön. d) Elméletileg hányszor több elektromos áramot igényelne adott mennyiségű nátrium-klorátelőállítása, ha a klorát a 2. úton (anódos oxidációval) képződik az 1. út helyett? 5/o-5 (2014/2/2/3) Tiszta vizes ammóniaoldat elektrolízise nehézségekbe ütközik, mert az oldat ellenállása nagy. Ezen KOH adagolásával lehet segíteni. KOH-tartalmú ammóniaoldatok elektrolízise során mindkét platinaelektródon színtelen gázok fejlődése tapasztalható. A katódon fejlődő gázt energiahordozóként is tervezik használni. Az anódon az oldat összetételétől, a berendezés felépítésétől és az alkalmazott feszültségtől is függ a fejlődő gáz térfogata. A maximálisan mérhető térfogat a minimum másfélszerese, de ilyenkor is csak a katódon fejlődő gáztérfogat 50
b) Írja fel az elektródokon lejátszódó folyamatok reakcióegyenletét! Gyakorlati alkalmazásokhoz igyekeznek az anódon fejlődő gáz mennyiségét a minimálishoz közel tartani. Egy ilyen esetben 500 mA árammal végezték az elektrolízist. Az egyik elektródon 12,0 cm3, a másikon 4,4 cm3 gáz fejlődött (25 °C-on és 101 kPa nyomáson). c) Hány másodpercig tartott a mérés? 5/o-6 (2015/2/2/3) Vízbontást végzünk kálium-szulfát-oldat platinaelektródok között történő elektrolízisével. 10 percig tartó elektrolízis során a katódon 22,00 cm3, az anódon 10,60 cm3 térfogatú gáz fejlődött. A térfogatokat szárítás után 22,0 oC-on és 997 hPa nyomáson mérték. a) Írja fel a katódfolyamat és az anódon végbemenő reakciók egyenletét, figyelembe véve, hogy az anódon a főtermék mellett kevés ózon is keletkezik! Ózontartalmú gázkeverékek ózonkoncentrációját meghatározhatjuk úgy, hogy az elegyet ezüsthálón (mint katalizátoron) vezetjük át, amelyen az ózon dioxigénre bomlik. A térfogatnövekedésből kiszámítható az eredeti elegy ózontartalma. d) Hány százalékos térfogat-növekedést mérnénk egy ilyen kísérletben (a kiindulási gázelegy térfogatához viszonyítva), ha az anódon fejlesztett gázt vezetnénk át az ezüsthálón? 5/o-7 (2016/2/2/1) Az épületek melegvíz-rendszerében könnyen telepedhetnek meg mikroorganizmusok. Ellenük a szokásos fertőtlenítés nem olyan hatékony, mert melegen a klór és az ózon rosszabbul oldódik. a) Adja meg azoknak a reakcióknak az egyenletét, amelyek felelősek ezért a hatékonyság-csökkenésért! Ezt a két fémiont általában egy átáramlásos elektrolizáló cellában juttatják a vízbe. b) Katódként vagy anódként kell a két fémlemezt a cellába kötni? A két fémion koncentrációját érdemes a melegvízrendszerben folyamatosan ellenőrizni és pótolni. Túl sok anyag bekerülése esetén ugyanis fekete elszíneződés jelenhet meg a fehér porcelánfelületeken szerves anyagokkal érintkezve. d) Mi lehet ez a fekete anyag? Az orosz űrprogram is hasonló berendezést (de csak ezüsttel) használ az űrhajók vízrendszerének fertőtlenítésére. Az amerikaiak viszont jóddal végzik a fertőtlenítést, így az űrsiklók érkezésekor vizet csak további tisztítás után lehet a két rendszer között cserélni. e) Milyen nem kívánatos reakció történne, ha a kétféleképpen kezelt vizet összekevernék?
b) Írja fel a titrálás egyenletét!
c) Mennyi töltés haladt át a cellákon, ha a II. cellában az áthaladt töltés 100
e) Írja fel az I. cellában lejátszódó anódreakció egyenletét!
f) Hány százalékos a para-metil-benzaldehid kitermelése?
g) Az áram hány százaléka fordítódott a (4-metil-fenil)-metanol oxidációjára az I. cellában, ha feltételezzük, hogy a termék elkülönítése során nem volt veszteségünk?
c) Legalább hány tonna kősó szükséges 1,0 t NaClO3 előállításához?
e) Folyamatos üzem és 100
f) A cellában képződő oxigén mennyiségének mérésével ellenőrizhető, hogy a klorátmekkora hányada képződik anódos oxidációval. Ha ez az arány a fent megadott 15
a) Miért csökkenti az oldat ellenállását a KOH adagolása?
d) Milyen gázokat tartalmazott a két gázmennyiség? (Keverék esetén adja meg a térfogat-százalékos összetételét!)
b) Milyen áramerősséggel végeztük az elektrolízist?
c) Hány térfogatszázalék ózont tartalmazott az anódon képződő gázkeverék?
Elterjedt antimikrobiális anyag ilyen esetekben a réz(II)- és ezüstion. Ezek együttesen már igen kicsi, a réz(II) esetén 3 mg/dm3, az ezüst esetén pedig 0,3 mg/dm3 koncentráció mellett hatásosak lehetnek.
Ha a víz pH-ja 8 felett van, akkor azonban ezeknek is jelentősen csökken a hatékonyságuk.
c) Mekkora áramnak kell a réz-, illetve az ezüstelektródon áthaladnia, ha a cellán 13 l/perccel áramlik a melegvízrendszerbe bekerülő víz?