Elektrokémia – OKTV feladatok
Vissza az elektrokémia témakörhöz!
5/o-1 (2008/2/2/3)
Egy hangyasavoldat 10,0 cm3-es részletéhez 20 cm3 20%-os kénsavat és 2 g KBr-t adunk. A hangyasavat elemi brómmal bontjuk el, melyet az oldat elektrolízisével állítunk elő. A teljes hangyasavmennyiség elbontásához 3,00 áramerősséggel kell 83,7 másodpercig elektrolizálnunk.
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!
b) Írja fel a titrálás egyenletét!
c) Mennyi töltés haladt át a cellákon, ha a II. cellában az áthaladt töltés 100 %-a a jodid oxidációjára fordítódott?
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?
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?
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:
- Az elektrolitoldatban a hipoklórossav kloriddá és kloráttá diszproporcionálódik
- A hipoklorit anódos oxidációjával. Úgy találták, hogy az adott körülmények között azelektród felületén jó közelítéssel az alábbi sztöchiometria szerint játszódik le ez a folyamat:
12 OCl– + 6 H2O → 4 ClO3– + 12 H+ + 8 Cl– + 3 O2 + 12 e–
b) Írja fel a diszproporció egyenletét!
c) Legalább hány tonna kősó szükséges 1,0 t NaClO3 előállításához?
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?
e) Folyamatos üzem és 100 %-os áramkihasználás esetén naponta hány t NaClO3-ot állít előegy cella? Az elektrolízist 75,0 kA áramerősséggel végzik, és a klorát 15 %-a képződikanódos oxidációval.
f) A cellában képződő oxigén mennyiségének mérésével ellenőrizhető, hogy a klorátmekkora hányada képződik anódos oxidációval. Ha ez az arány a fent megadott 15 %, akkor mi lesz az elektródokon képződő hidrogén és oxigén térfogataránya?
5/o-5 (2014/2/2/3)
Tiszta vizes ammóniaoldat elektrolízise nehézségekbe ütközik, mert az oldat ellenállása nagy. Ezen KOH adagolásával lehet segíteni.
a) Miért csökkenti az oldat ellenállását a KOH adagolása?
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%-át éri el. (Természetesen a gázokat ugyanolyan állapotban vizsgálva.)
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?
d) Milyen gázokat tartalmazott a két gázmennyiség? (Keverék esetén adja meg a térfogat-százalékos összetételét!)
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!
b) Milyen áramerősséggel végeztük az elektrolízist?
c) Hány térfogatszázalék ózont tartalmazott az anódon képződő gázkeverék?
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.
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.
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?
c) Mekkora áramnak kell a réz-, illetve az ezüstelektródon áthaladnia, ha a cellán 13 l/perccel áramlik a melegvízrendszerbe bekerülő víz?
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?
