PROCESE ELECTROCHIMICE - Teste si APLICATII NUMERICE REZOLVATE

P R O C E S E E L E C T R O C H I M I C E

T E S T E SI A P L I C A T I I N U M E R I C E R E Z O L V A T E

1.Sa se indice numerele de oxidare (N.O.) pentru fer in urmatorii compusi chimici:

FeO ;Fe₂ O₃ ; Fe₃ O₄ ;Fe(OH)₂ ; Fe(OH )₃

Rezolvare:

In toate combinatiile date pentru Fe , N.O.pentru oxigen este -2 si N.O.pentru H este +1; N.O. pentru Na este +1 ;Fe i se atribuie un astfel de N.O. incat moleculele date sa fie neutre din punct de vedere electric:

Fe^{+2 O-2} ; Fe₂ O₃^-2 : 3(-2) + 2x = 0 ; x = +3 ; deci : Fe₂⁺³ O₃^-2 ;

Fe₃ O₄^- 4(-2) + 3x = 0 ; x = + 8/3 ; deci : Fe₃^+8/3 O₄^-2 ;

Fe( O^-2 H⁺¹)₂ : 2( -2 +1) + x = 0 ; x = +2 ;deci : Fe⁺²( O H)₂^-1 ;

Fe(O ^-2H⁺¹ )₃ : 3( -2+1) + x = 0 ;x = +3 ;deci : Fe⁺³(OH )₃^-1 ;

2.Pentru urmatoarele procese redox : . stabiliti coeficientii numerici ,respectand bilantul numarului de electroni transferati ,adica numarul de electroni primiti in reactia de reducere

trebuie sa fie egal cu numarul electronilor cedati in reactia de oxidare ,precum si bilantul uzual ca pentru orice alta reactie chimica, al numarului de atomi de fiecare fel;

. analizati procesele redox si indicati,daca este cazul,unde sunt intalnite in practica industriala.

(1). Zn + CuSO ₄ → Cu + ZnSO₄

(2). Pb + PbO₂ + H₂ SO₄ → PbSO₄ + H₂ O

Rezolvare:

Se noteaza N.O. pentru toate elementele chimice si se scriu separat cele care, modificandu-si N.O. ,se oxideaza sau se reduc;se realizeaza,apoi,aducerea la acelasi numar de electroni in reactia de oxidare si in reactia de reducere,prin inmultiri corespunzatoare;se obtin astfel coeficientii substantelor chimice in care se gaseste elementul chimic oxidat sau redus pentru care s-a efectuat bilantul electronic; pentru restul elementelor chimice , care nu si-au modificat N.O.,se face bilantul atomic obisnuit.

(1).Zn⁰ + Cu ²⁺ ( SO ₄) ^2- → Zn ²⁺ ( SO ₄) ^2- + Cu⁰

Zn⁰. → Zn²⁺ + 2e oxidare: Zn⁰ se oxideaza si este reducator ;

Zn⁰ + Cu ²⁺ → Zn ² Cu⁰ ;deci:

Zn + CuSO ₄ → Cu + ZnSO₄

Reactia este intalnita la functionarea pilei Daniell - Iacobi.

(2). Pb ⁰ +Pb ⁴⁺ O₂ ^2- + H₂ ¹⁺ (SO₄) ^2- → Pb ²⁺ (SO₄ )^2- + H₂ ¹⁺ O^2-

Pb Pb ²⁺ +2e^- ;oxidare: Pb se oxideaza ,deci este reducator

Pb ⁴⁺ + 2e^- → Pb ^{2+ ;reducere:Pb+4} se reduce si este oxidant

Pb ⁰ + Pb ⁴⁺ → 2 Pb ^{2+ ;deci} :

Pb + PbO₂ + 2 H₂ SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂ O

Reactia se intalneste in cazul functionarii acumulatorului cu plumb.

3.Sa se calculeze :

.concentratia ionilor hidroniu (H₃ O ( in mol/L) pentru o solutie cu caracter acid care are pH =4,0;

.concentratia ionilor hidroxil (OH)^-( in mol/L) pentru o solutie cu caracter bazic care are pH= 10,8;

Rezolvare:

.pH = - lg [(H₃ O ] = 4 ; [(H₃ O)⁺ ] = 10^-4 mol (H₃ O)⁺ / L;

-15-

(H₃ O)⁺ ] = 10^-10,8 = 1,585 x 10^-11 mol (H₃ O)⁺ / L ;

[(OH) =10^-14 1,585 x 10^-11)=6,30 x 10^-4 mol (OH)^- /L sau

pH = 10,8 ; pOH = 14 - 10,8 =3,2; [(OH)^-] = 10^-3,2 = 6,30 x 10^-4 mol (OH)^- /L

4.Se dizolva in apa urmatoarele saruri : NaNO₃ ; K( HCO₃) ; NH₄ Cl ; FeCl₃.

.sa se indice ionii existenti in fiecare sare ;

.sa se indice care din aceste saruri hidrolizeaza (reactioneaza cu apa),scriind reactiile si sa se noteze caracterul acid sau bazic al solutiilor finale;sa se indice si domeniul de pH , respectiv de pOH ,corespunzator solutiilor finale.

Rezolvare :

.Sarurile sunt electroliti tari si sunt aproape total disociate in ioni :

NaNO₃ → Na⁺ + (NO₃ ; exista ionii : Na⁺ si (NO₃)^- ;

K( HCO₃)→ K⁺ + ( HCO₃)^- ; ( HCO₃)^- ( in masura foarte mica)→ H ⁺ + (CO₃) ^-2 ; exista ionii : K⁺ ; ( HCO₃)^- ; H ⁺ si (CO₃)^-2 ;

(observatie : in solutii apoase ,ionii H⁺ exista numai sub forma de ioni hidroniu (H ₃O)⁺, chiar daca -pentru simplificarea scrierii -se noteaza,de cele mai multe ori ,H⁺);

NH₄ Cl → ( NH₄ )⁺ + Cl^- ; exista ionii (NH₄ )⁺ si Cl^- ;

FeCl₃ → Fe ⁺³ + 3Cl exista ionii Fe ⁺³ si Cl^- .

.din reactia de hidroliza a sarurilor rezulta un acid si o baza; reactia de hidroliza a sarurilor este reactia inversa neutralizarii unui acid cu o baza :

Sare + apa acid + baza ;sarurile provenite dintr-un acid tare si o baza tare

nu hidrolizeaza ; sufera reactia de hidroliza numai sarurile provenite din :

. acid tare + baza slaba ; .acid slab + baza tare ;. acid slab + baza slaba.

NaNO₃ nu hidrolizeaza ,pentru ca provine dintr-un acid tare ( HNO₃ ) si o baza tare (NaOH);prin dizolvare in apa ,imprima solutiei un caracter neutru;

K( HCO₃) + H₂ O → KOH + H ₂ CO₃ ; caracter final bazic

baza foarte tare acid slab

pH_final ( 7;14) si pOH_final ( 7;0)

NH₄ Cl + H ₂O → NH₄ OH + HCl ; caracter final acid

baza slaba acid foarte tare

pH_final ( 0 ;7 )

FeCl₃ + 3H ₂ O → Fe(OH)₃ + 3 HCl ; caracter final acid

baza slaba acid foarte tare

pH_final ( 0 ;7 )

.Avand la dispozitie 2 electrozi metalici din Mg si Cu si solutiile corespunzatoare ionilor metalici respectivi cu a₁= 0,1 mol/L si a₂= 0,01 mol/L ,sa se scrie -conventional-pila electrochimica corespunzatoare si sa se calculeze tensiunea electromotoare (t.e.m.) standard E⁰ si t.e.m. E.Scrieti reactiile redox de la electrozi si reactia globala care are loc la functionarea pilei.Se cunosc: ε⁰ _{Mg 2+ / Mg} = -2,37 V ; ε⁰ _{Cu 2+ / Cu} = +0,337 V. R= 8,314 J / (mol.K) ; F= 96500 C/ mol; T= 298 K .

Rezolvare:

Pila electrochimica va fi de forma :

(-) Mg / Mg ²⁺⁽ a₂= 0,01 mol/L ) // Cu²⁺ (a₁= 0,1 mol/L ) / Cu (+) ,

-16-

deoarece dintre cei doi electrozi metalici dati , Mg va fi anodul-adica electrodul negativ- avand potentialul de electrod standard mai negativ.

E⁰ = ε⁰ ₊ - ε⁰ _- = ε⁰ _{Cu 2+ / Cu} - ε⁰ _{Mg 2+ / Mg} = 0,337 - (- 2,37 ) = 2,707 V.

Potentialul fiecarui electrod tinand cont de concentratiile / activitatile ionilor corespunzatori se calculeaza cu relatia lui Nernst:

+ (RT / ( z F)) ln a _ioni sau ε = ε⁰ + 2,303(RT / ( z F)) lg a _ioni ,deci:

_{Cu 2+ / Cu} = 0,337 + (( 8,314 J /( mol.K)x 298K) / ( 2x 96500 C/ mol)) ln 0,1 = 0,307 V si

_{Mg 2+ / Mg} = -2,37 + (( 8,314 J /( mol.K)x 298K) / ( 2x 96500 C/ mol)) ln 0,01 = - 2,373 V

E = ε ₊ - ε _- = ε _{Cu 2+ / Cu} - ε _{Mg 2+ / Mg} = 0,307 - (- 2,373 ) = 2,680 V.

La anod (-) are loc reactia de oxidare : Mg → Mg ²⁺ + 2 e^- ,iar

la catod (+) are loc reactia de reducere : Cu ²⁺ + 2 e^- → Cu ,

reactia redox globala care are loc la functionarea pilei fiind : Mg + Cu ²⁺ ↔ Mg ²⁺+ Cu

6. Prin electroliza o piesa din otel se acopera cu un strat de 5 g de crom .Intensitatea curentului electric este de 2,68 A , iar timpul de electroliza eate de 240 minute. Sa se calculeze randamentul de curent.Scrieti reactia de la catod, stiind ca ionul de crom are sarcina electrica +3. F = 96500 C / mol = 26 A.h /mol ; A_Cr = 52 g /mol ; 1C= 1 A . 1 s

Rezolvare:

Legile lui Faraday pentru electroliza se scriu sub forma:

m = ( A/ ( z F)). I. t m= g /mol / ( 3 x 26,8 A.h /mol)) x 2,68 A x (240 /60) h = 6,93 g

_c= 5 g/ 6,93 g = 0,72 sau η _c= 72 %

Reactia de la catod este: Cr³⁺ + 3 e^- → Cr

T E S T E SI A P L I C A T I I N U M E R I C E

P R O P U S E      SPRE R E Z O L V A R E

1.Indicati N.O. pentru fiecare din componentii speciilor chimice date mai jos:

F; Cl; N₂;CH₃OH; (CH₃) ;Fe ⁺³; S; Cl^-; H₂O; H; O; H₂O₂; (H₃O)⁺; (H₃O) ; (OH)^- ; (OH) (HO₂) ; H₂ ; H⁺; O₂; O ^-2 ; H^- ; KOH ; (CH₂-CH₂) ;(SO₄) ;(SO₄)^-2 ;H₂SO₄ ;S ^-2 ; SO₂ ; SO₃ H₂S ; S ⁺⁶; SiO₂; I^- ; Br ⁺⁵; CaCl₂ ; Ca(OH)₂ ; CuSO₄.5H₂O_.

2.Indicati in ce ecuatii se modifica N.O. , precizati modificarile respective si stabiliti coeficientii din fiecare ecuatie

CaCO₃ CaO + CO₂ ↑;CaCO₃ + H₂ O + CO₂ → Ca (HCO₃ )₂ ;

CaO + HCl → CaCl₂ + H₂ O ; N₂ + H₂ NH₃ ; Mg + O₂ → MgO ; Na + H₂ O → NaOH + H₂ ;Zn + H₂ SO₄ → ZnSO₄ + H₂ ; H ₂SO₄ H⁺ + (HSO₄ )^- ;H₂ CO₃ → H₂ O + CO₂ ↑ ; H₂ CO₃ H⁺ + ( HCO₃ )^- ; H₂ + Cl₂ → HCl ; Fe + Cl₂ → FeCl₂;

C₂ H₅ OH + O₂ → CO₂ + H₂ O ; H₂ + O₂ → H₂ O

3.Alegeti din seria urmatoare de valori pH ,solutiile cu caracter acid,respectiv bazic: pH = 12; pH = 5 ; pH =0,4 ; pH =6,8 ; pH = 13,9 ; pH = 7 ; pH = 6,9 ; pH =7,1 ; pH = 0,01 ; pH = 7,3.

4.Alegeti din seria urmatoare de valori pOH ,solutiile cu caracter acid,respectiv bazic: pOH = 12;pOH = 5 ; pOH =0,4 ; pOH =6,8 ; pOH = 13,9 ; pOH = 7 ; pOH = 6,9 ; pOH=7,1;pOH=0,01;pOH=7,3.

5.Sa se calculeze pH si pOH pentru o solutie care contine :

a. 0,008 g (H₃O)⁺ / L solutie ;

b. 0,008 g ( OH)^- / L solutie .

6.Pentru o solutie cu pH = 4,8 , sa se calculeze :

-17-

a. pOH ;

b. concentratia ionilor hidroxil, (OH)^- ;

c. concentratia ionilor de hidroniu ,(H₃O)⁺.

7.Pentru o solutie cu pOH = 4,8 , sa se calculeze:

a. pH ;

b. concentratia ionilor de hidroniu, (H₃O)⁺;

c. concentratia ionilor hidroxil, (OH)^-

8.Sa se dea cate 3 exemple de substante solubile in apa si substante insolubile in apa.

9.Sa se indice care din urmatoarele substante sunt electroliti,motivand : HCl ;KNO₃; CH₄ ; I₂ ; NaOH ; Na ₂SO₄ ; C₆ H₆ ; C₆ H₁₂ O₆ (glucoza) ; C₁₂ H₂₂ O₁₁ ( zaharoza).

10.Sa se scrie reactiile de hidroliza pentru urmatoarele saruri,indicand si caracterul acid sau bazic al solutiei finale- cu motivarea corespunzatoare : NaCl ; K₂ CO₃ ; FeCl₃; NH₄ NO₃ ; NaNO₃ ; (NH₄ )₂ CO₃.

11.Sa se calculeze ,considerand in toate cazurile disocierea in ioni totala :

a. concentratia ionilor Na⁺ si Cl^- dintr-o solutie NaCl 0,10 M ;

b. concentratia ionilor Ca²⁺ si Cl^- dintr-o solutie CaCl₂ 0,10 M ;

c. concentratia ionilor (H₃ O)⁺ si Cl^- dintr-o solutie HCl 0,10 M ;

d. concentratia ionilor Na⁺ si (OH)^- dintr-o solutie NaOH 0,10 M ;

e. concentratia ionilor (H₃ O )⁺ si (SO₄)^-2 dintr-o solutie H₂ SO₄ 0,10 M .

12.Reprezentati ,conventional ,pila electrica avand urmatoarele reactii redox la electrozi:

Mg → Mg ²⁺ (0,010 M ) + 2 e^- si Sn ²⁺ ( 0,10 M) + 2 e^- → Sn .Calculati potentialele de electrod de reducere pentru activitatile date ale ionilor de la electrozi , t.e.m. standard ,E⁰ si t.e.m. corespunzatoare activitatilor date ale ionilor solutiilor de la electrozi ,E. Sa se scrie reactia redox globala din pila la functionarea ei. Potentialele de electrod de reducere standard

sunt : ε⁰ _{Mg 2+ / Mg} = -2,37 V ;ε⁰ _{Sn 2+ / Sn} = -0,14 V. R= 8,314 J / (mol.K F= 96500 C/ mol; T= 298 K ; lg 0,10 = - 1 ; lg 0,010 = -2 .

13.O instalatie industriala de electroliza produce 64 kg Cu / zi.Baia de electroliza contine o solutia apoasa de CuSO₄ ,acidulata cu H₂ SO ₄.Calculati intensitatea curentului electric care trece prin baia de electroliza ,daca randamentul de curent este de 90%.Scrieti reactiile de disociere din baia de electroliza si reactiile redox de la electrozi in doua variante: fara si cu anod " solubil " din Cu. F = 96500 C / mol = 26 A.h /mol ; A_Cu = 64 g / mol;1 C =1 A.1 s. Definiti fenomenul de electroliza.Discutati componentele unui sistem de electroliza.