Kémia számításban segíteni (elektrolizis, áramerősség, idő)?

A kénsav oldat elektrolízise során lényegében vízbontás történik. A vízbontáshoz 2 mol elektron szükséges:

H2O -> 1/2O2 + H2

Adatok:

I=10 A

t=3 h= 180 min= 10800 sec

Q=I*t=108000 C

1 mol víz bontásához 2 mol elektron szükséges, amelyek töltése fejenként 96500 C, tehát felírható:

1 mol vízhez -> 2*96500 C

n mol vízhez -> 108000 C

n(H2O)=108000/(2*96500)=0,56 mol

M(H2O)=18 g/mol

m(H2O)=0,56*18=10,08 g

Lényegében tehát 3 oldatunk van, mivel a kiindulási oldatból vehetjük úgy, hogy víz párolgott el, amit egy sima víz oldatnak tekinthetünk. A keverési egyenlet:

m1*w1 + m2*w2 = m3*w2

m1=x g

w1=5,0 m/m%

m2=10,08 g

w2=0,0 m/m%

m3=(x-10,08) g

w3=10 m/m%

Behelyettesítve:

5x=10x-100,8

-5x=100,8 => x=20,16 g

m1=20,16 g

ß=1,023 g/cm3

V1=m1/ß=19,7 cm3

Az eredeti kénsav oldat térfogata 19,7 cm3.

A katódon H⁺ redukálódik.

Az SO₄²⁻ nem egyszerű anion, ezért az anódon nem ez oxidálódik, hanem az OH⁻. Szóval egyszerűen vízbontás történik.

Az anódfolyamat: 4 OH⁻ = O₂ + 2 H₂O + 4e⁻

A katódfolyamat: 4 H⁺ + 4e⁻ = 2 H₂

(eleve olyan szorzókkal írtam fel, hogy azonos legyen az elektronok száma.)

A kettőt összevonva:

4 H₂O + 4e⁻ = 2 H₂O + 2 H₂ + O₂ + 4e⁻

Vagyis 4 mol elektron hatására 4 mol H₂O-ból 2 mol megmarad, 2 mol pedig elbontódott. Szóval 2 mol elektron kellett 1 mol víz bontásához.

3 óra = 3·3600 s, 10 A-es áramerőségnél ennyi töltés vett részt az elektrolízisben:

Q = I·t = 10·3·3600 C = 108000 C

A Faraday állandó kb. 96500 C/mol, vagyis az előbbi Q töltésnek 108/96,5 = 1,12 mol elektron felel meg. Akkor pedig annak a fele, tehát 0,56 mol víz bontódott le.

n = 0,56 mol

m = n·18 g/mol = 10,07 g víz

Az M tömegű oldatban eredetileg volt 5·M/100 gramm kénsav, és 95·M/100 gramm víz.

A végén maradt ugyanannyi kénsav és (95·M/100 - 10,07) gramm víz. Ennek a koncentrációja 10 m/m%:

(5·M/100)/(M - 10,07) = 10/100

5M = 10M - 10·10,07

M = 20,14 g

Ennyi az eredeti kénsavoldat tömege, a térfogata tehát:

V = M/ρ = 20,14/1,023 cm³

V = 19,68 cm³