Esercizio - elettrolisi di una soluzione di NaCl, gas sviluppati e pH finale
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Testo. Si elettrolizzano mL di una soluzione acquosa di NaCl M con elettrodi inerti, con corrente A per h. Si trascurino le variazioni di volume e la reazione del cloro con la soda ( C/mol; L atm/(mol K); ).
- Scrivere le reazioni agli elettrodi e la reazione globale. Spiegare perché non si deposita sodio.
- Calcolare la carica passata e le moli e i volumi (25 °C, atm) di Cl e H sviluppati; la massa di Cl.
- Calcolare la concentrazione di OH, il pH finale e la massa di NaOH formata; la concentrazione di Cl che resta.
- Calcolare la f.e.m. minima (termodinamica) da applicare all'inizio ( M, pH 7) e alla fine; commentare perché all'anodo esce Cl e non O.
1. Reazioni
- Catodo (riduzione, polo ): gli ioni presenti sono Na e HO. Il potenziale di Na/Na è V, quello dell'acqua a pH 7 è V: si riduce l'acqua. . Il sodio non si deposita mai da soluzione acquosa.
- Anodo (ossidazione, polo ): Cl o HO. (vedi il punto 4).
- Globale: , cioè con gli ioni Na spettatori .
2. Carica, moli e volumi dei gas
Ogni mole di Cl e ogni mole di H richiedono mol di elettroni:
3. Soda e cloruro residuo
Ogni elettrone che arriva al catodo forma uno ione OH (reazione al catodo: OH): mol. Il cloruro iniziale era mol; se ne sono consumate (una per elettrone): restano mol, M. Il Na ( mol) bilancia mol di OH e mol di Cl, in totale mol di cariche negative ✓.
4. Tensione minima e scelta del cloro
All'inizio. Anodo: V ( M, atm). Catodo: V. La f.e.m. della reazione è V; la tensione applicata deve superare questo valore.
Alla fine. Anodo: V. Catodo: V. Quindi V: serve più tensione a mano a mano che il pH sale.
Perché Cl e non O. A pH 7, V, più basso di V: l'ossidazione dell'acqua è termodinamicamente favorita di V. Ma la sovratensione per lo sviluppo di O sugli anodi usati (titanio rivestito di ossidi, grafite) è alta, quasi quanto quella differenza o più, mentre quella del cloro è piccola: sull'anodo esce il cloro. Nell'industria un diaframma o una membrana separa anodo e catodo: senza di esso Cl reagisce con OH (a dare ipoclorito e cloruro) e si perde.
Risultati
| grandezza | valore |
|---|---|
| carica / moli di | C / mol |
| Cl e H | mol ciascuno, 4,56 L ciascuno; g |
| / pH / NaOH | 0,746 M / 13,87 / 14,9 g |
| residuo | 0,254 M |
| f.e.m. minima: inizio / fine | 1,77 V / 2,22 V |
Errori comuni
- Prevedere il sodio al catodo (o l'idrogeno nel bagno fuso): in acqua si riduce l'acqua.
- Prevedere l'ossigeno all'anodo dai soli : la sovratensione cambia l'esito.
- Dimenticare che ogni mole di H o Cl richiede 2 mol di elettroni, e che si forma 1 OH per elettrone.
- Usare i volumi dei gas senza specificare e .
Versione ripasso
Testo. mL di NaCl M, elettrodi inerti, A per h. Reazioni; gas a 25 °C e 1 atm; OH, pH, NaOH, Cl residuo; f.e.m. minima iniziale e finale e scelta del cloro. Teoria: Elettrolisi e leggi di FaradayUna cella elettrolitica usa energia elettrica per far avvenire una reazione non spontanea: all'anodo (polo +) c'è l'ossidazione, al catodo (polo −) la riduzione, con tensione applicata maggiore di E rev più sovratensioni e cadute ohmiche. In acqua si scarica al catodo la specie con E più alto e all'anodo quella con E più basso, tenendo conto della sovratensione (cloro-soda, deposizione dello zinco). Leggi di Faraday: m = φ·M·I·t/(z·F) con F = 96485 C/mol; da m si ricavano spessore di un rivestimento (s = m/ρA), tempo, volumi di gas. Applicazioni: raffinazione del rame, zincatura, nichelatura, cromatura, anodizzazione, produzione di Al, Cl2, NaOH, H2.Elettrolisi e leggi di Faraday →.
- Reazioni: catodo (Na, V, non si riduce); anodo ; globale .
- Gas: C, mol di ; mol ciascuno, L; g.
- Soda: mol, M, pH , NaOH g; Cl residuo mol, M.
- Tensione minima: inizio V; fine V. All'anodo O sarebbe favorito ( V), ma la sovratensione dell'ossigeno fa uscire il cloro; un diaframma evita che Cl reagisca con OH.
Errori tipici: sodio atteso al catodo; ossigeno previsto dai soli ; mol di per mole di gas sbagliate.