Felidéző gyakorlás
Ag+ + e− → Ag esetén 0,100 mol elektron legfeljebb mennyi ezüstöt választ le?
Válassz, indokold magadban, majd csak ezután fedd fel a magyarázatot.
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
A téma lényege
Elektromotoros erő standardpotenciálokból és egyszerű elektrolízis-sztöchiometria félreakció alapján.
A vizsgán az állításokat szerkezetből vagy részecskemodellből kell indokolnod, majd egyenlettel, adattal, számítással vagy kísérleti bizonyítékkal alkalmaznod.
Amit biztosan tudnod kell
- Elektrokémiai számításban először írd fel az elektródfélreakciót. Az elektronszám köti össze az átment töltést az átalakult anyagmennyiséggel.
- A töltés az áramerősség és idő szorzata. Az időt másodpercben használd, ha az áramerősség amperben és a töltés coulombban szerepel.
- Egy mol elektron töltése a Faraday-állandó. z elektronos elektródfolyamatban n(anyag) = Q(zF).
- Soros kapcsolású elektrolizáló cellákon ugyanaz a töltés halad át; a levált anyagmennyiségek az elektronszám és moláris tömeg szerint különböznek.
- Áramkihasználás 100% alatt azt jelenti, hogy a töltés egy része mellékreakcióra fordult. A tényleges terméket az elméleti érték és a hatásfok szorzata adja.
- Galvánelem számításánál a pozitívabb redukciós potenciálú félcella a katód standard körülmények között; az egyenlet szorzása nem szorozza meg az elektródpotenciált.
- A Nernst-egyenlet nemstandard koncentráció és gáznyomás mellett ad elektródpotenciált. A reakcióhányadost a teljes cellareakcióból kell felírni.
- A standard cellafeszültség és a standard Gibbs-energia kapcsolata megmutatja, hogy E°cell > 0 esetén a felírt cellareakció standard körülmények között spontán.
- Egyensúlyban Ecell = 0; ebből a standard cellafeszültség és az egyensúlyi állandó közötti kapcsolat vezethető le.
Kulcsfogalmak
- standardpotenciál
- katódpotenciál
- anódpotenciál
- EMF
- félreakció
- elektronsztöchiometria
- cellareakció
- elektronmérleg
- töltés
- áramerősség
- Faraday-állandó
- áramhatásfok
Redukciós potenciálból cellafeszültség
A táblázat standard redukciós potenciálokat ad. A nagyobb ε° értékű pár oxidált alakja lesz a katódon könnyebben redukálható; a kisebb értékű pár redukált alakja oxidálódik az anódon. EMF = εkatód − εanód. Pozitív standard EMF a felírt galváncellareakció spontán irányát támogatja standard körülmények között.
A potenciált nem szorozzuk a félreakció együtthatójával: intenzív mennyiség. Az elektronok számát viszont a félreakciók összeadásakor egyeztetjük.
Elektrolízis sztöchiometriája
Írd fel a megadott elektródfolyamatot. A termék és elektron együtthatója adja a mólarányt; például Cu2+ + 2 e− → Cu szerint 2 mol elektronhoz 1 mol réz tartozik. Ha töltés vagy áramerősség/idő nincs megadva, a feladat közvetlen anyagmennyiség-arányt kérhet.
A Faraday-törvény képletes, áramerősség-idős alkalmazása a jelenlegi követelményben emelt szintű; középszinten a tanult vagy megadott félreakció egyszerű sztöchiometriai használata és az EMF-számítás a cél.
Cellareakció a potenciáltáblából
Válaszd ki a nagyobb E°-értékű redukciót, a másik félreakciót fordítsd meg, majd az elektronszám legkisebb közös többszörösével rendezd. A potenciálokat nem szorozzuk az együtthatóval. Pozitív E°cell standard körülmények között termodinamikailag kedvező irányt jelez, de a sebességet nem.
Elektrolízis mennyiségi lánca
Q=IΔt → n(e−)=QF → n(termék) a félreakcióból → tömeg vagy gázállapot. Ha áramhatásfok η<1, a kívánt termékre jutó töltés ηQ. Sorba kötött cellákon ugyanaz a töltés halad át, de a leváló anyagmennyiség az elektronszámtól függ.
Oldatváltozás és összekapcsolt feladat
Az elektródtermék mellett vezesd az oldat tömegét és ionmérlegét: gáz távozhat, fém kiválhat, elektród oldódhat, H+/OH− képződhet. A végső koncentrációhoz a változott oldattömeg vagy térfogat kell. Redoxititrálás/utóreakció esetén a képződött anyagmennyiség a következő egyenlet kiinduló adata.
Elektromotoros erő
EMF = ε(katód) − ε(anód)
Rézkiválás
Cu2+ + 2 e− → Cu
Töltés
Q = I · t
Elektron anyagmennyisége
n(e−) = QF
Leváló anyag
n(anyag) = Q/(zF)
m = M·Q/(zF)
Áramkihasználás
η = m(tényleges)/m(elméleti) · 100%
Standard cellafeszültség
E°cell = E°katód − E°anód
Faraday-lánc
Q=IΔt
n(e−)=QF
n(termék)=n(e−)/z
Áramhatásfok
η = Q(hasznos)/Q(összes)
Nernst-egyenlet
E = E° − (R · T/zF)lnQ
Elektromos munka és Gibbs-energia
ΔG° = −zFE°cell
Cellafeszültség és egyensúly
lnK = zFE°cell/(R · T)
Elektrokémiai számítási lánc
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Jelentés |
|---|---|
| 1. | E° → félreakciók |
| 2. | I·t → Q/F |
| 3. | elektronarány → termék |
Módszer kiválasztása
Cu2++2e−→Cu és Ag++e−→Ag sorba kötött cellákon azonos töltés halad át. Melyikből több mol válik le?
Válassz, indokold magadban, majd csak ezután fedd fel a magyarázatot.
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Kidolgozott lépés
Kövesd a megoldási láncot, majd számolj önállóan és vidd át új kérdésre.
Minden sorban tartsd meg a mértékegységet; csak a végén kerekíts.
1. Kidolgozott modell
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Q=5,00·1930=9650 C; n(e−)=965096500=0,100 mol.
Alkalmazási feladat
Melyik állítás javítja pontosan ezt a tévedést: „A standardpotenciált nem szorozzuk meg”?
Válassz, indokold magadban, majd csak ezután fedd fel a magyarázatot.
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Hivatalos követelmények (4 pont)
Középszintű követelmények
Elektrokémia
- Fogalmak: elektrolízis, standardpotenciál, elektromotoros erő
- Elvárt művelet: Értse következő összefüggést: E = ε - ε MF katód anód Számítsa ki az elektromotoros erőt standardpotenciálokból, illetve fordítva. Alkalmazza az elektrolízis tanult, illetve megadott elektródfolyamatait egyszerű sztöchiometriai számításokban.
További emelt szintű követelmények
Elektrokémia
- Fogalmak: Faraday-törvények
- Elvárt művelet: Alkalmazza a Faraday-törvényt: 𝑚 = 𝑘 ∙ 𝐼 ∙ ∆𝑡 𝑄 𝐹 = , ahol F = 96500 Cmol 𝑛𝑒 Alkalmazza az elektrokémiai ismereteket (redoxi folyamatok irányának becslése) a sztöchiometriai számításokban, a feladatban megadott, illetve a tanultakból kikövetkeztethető elektródfolyamatokat egyszerű sztöchiometriai számításokban. Alkalmazza a Faraday-törvényeket a sztöchiometriai számításokban tanult, illetve megadott elektródfolyamatok esetén.
Szóbeli átvitel
Mondd el 90 másodpercben: definíció → szerkezeti/részecskemodell → jellegzetes adat vagy megfigyelés → rendezett egyenlet → egy alkalmazás és biztonsági/környezeti feltétel. Ezután válaszolj egy „mi változna, ha…?” kérdésre.
Ismétlési ciklus
- 24 órán belül: zárt könyvvel írd le a három fő oksort.
- 3–4 nap múlva: oldd meg újra az alkalmazást, és javítsd a tévképzetet.
- 1–2 hét múlva: kapcsolj hozzá egy másik témakört vagy kísérletet.