AscoltaPer la trattazione quantitativa dell'elettrolisi ci si avvale delle leggi di Faraday: l'elettrolisi è quel processo tramite il quale l'energia elettrica si converte in energia chimica e avvengono reazioni non spontanee che avvengono in verso opposto in una cella galvanica.
Leggi di Faraday
Per la trattazione quantitativa dell'elettrolisi ci si avvale delle leggi di Faraday:
1) La massa di un elemento che si deposita agli elettrodi è proporzionale alla quantità di elettricità che passa nella soluzione
2) Le masse di diversi elementi depositati dalla stessa quantità di elettricità sono proporzionali agli equivalenti. Nello specifico, per decomporre un equivalente di sostanza occorrono 96500 coulombs. A tale quantità di elettricità si dà il nome di Faraday.
Per gli opportuni calcoli si tenga conto che un ampere di corrente elettrica rappresenta il passaggio di un coulomb di carica al secondo. Il prodotto della corrente per il tempo fornisce la quantità totale di carica elettrica trasferita.
Carica (C)= corrente (C/s) ∙ tempo (s).
Per determinare il numero di moli di elettroni coinvolte in una reazione di elettrolisi si può scrivere:
moli di elettroni = corrente ∙tempo/96500
Nelle celle elettrolitiche l'elettrodo in cui avviene la riduzione è il catodo mentre quello in cui avviene l'ossidazione e l'anodo se consideriamo il terminale negativo come l'elettrodo su cui avviene una maggiore concentrazione di elettroni questo costituisce l'anodo in una cella voltaica e il catodo in una cella elettrolitica. Al contrario, il terminale positivo è il catodo in una cella voltaico e l'anodo in una cella di elettrolisi.
Esercizi sull'elettrolisi
1) Nell'elettrolisi di NaCl (aq) quanti faraday sono necessari affinché si ottengano all'anodo 0.015 moli di Cl2 ?
La semireazione di ossidazione 2 Cl – = Cl2 + 2 e– mostra che all'anodo, si forma una mole di Cl2 per ogni due moli di ioni Cl–.
Per ogni 2 Faraday trasferiti si forma una mole di Cl2, quindi per ottenere 0.015 moli serviranno ( 0.015 mol) ( 2 faradays/ 1 mol) = 0.030 Faraday
2) Quando una soluzione di NaCl è elettrolizzata per quanto tempo una corrente di 0.010 amp deve fluire affinché si formino 0.015 moli di H2 al catodo?
La semireazione catodica è 2 H2O + 2 e– = H2 + 2 OH–
Da tale reazione si rileva che, se sono consumati 2 faraday si ottiene una mole di H2.
Ciò significa che per ottenere 0.015 moli di H2 occorreranno
(0.015 mol)(2 faraday/ 1 mol) = 0.030 faraday
Poiché 1 Faraday = 96500 Coulombs si ha :
(0.030 faraday)( 96500 Coulomb/ Faraday) = 2900 coulombs
Se la corrente è di 0.010 amp ( equivalenti a 0.010 coulomb/s) il tempo necessario sarà pari a :
t = 2900 Coulombs/ 0.010 coulomb/s = 2.9 · 105 s
3) Nell'elettrolisi del cloruro di zinco fuso quanti grammi di zinco metallico possono essere depositati al catodo a seguito del passaggio di 0.010 amp per 1 ora ?
1 ora è pari a 3600 s quindi il passaggio di 0.010 amp = 0.010 coulomb/s corrisponde a
0.010 colulomb/s ( 3600 s) = 36 coulombs
36 coulombs corrispondono a 36 coulombs / 96500 coulombs/faraday = 3.7 · 10-4 faraday
Nello zinco fuso la semireazione catodica è :
Zn2+(aq) + 2 e– = Zn (s)
E ci suggerisce che per ogni mole di zinco depositata sono occorsi 2 faraday
Avendo usato 3.7 · 10-4 faraday si otterranno :
3.7 · 10-4 faraday ( 1 mole/ 2 faradays) = 1.8 · 10-4 moli di zinco
Utilizzando il peso atomico la massa di zinco depositatasi è pari a
1.8 · 10-4 mol ( 65.37 g/mol) = 0.012 g
4) Si supponga di avere una cella contenente una soluzione di AgNO3 collegata in serie con un'altra cella contenente una soluzione di NaCl. Se 0.0198 g di argento vengono depositati al catodo della prima cella calcolare quante moli di H2 si sviluppano al catodo della seconda cella.
Nella prima cella la semireazione catodica è Ag+ + 1 e– = Ag che mostra come una mole di argento viene depositata per ogni faraday consumato.
Moli di argento depositate al catodo : 0.0198 g/ 107.87 g/mol= 1.84 · 10-4
Numero di faraday = 1.84 · 10-4
Nella seconda cella il numero di faraday passati è lo stesso essendo le due celle celle collegate in serie. Nella seconda semicella la semireazione catodica è
2 H2O + 2 e–= H2 + 2 OH– che mostra come si sviluppi una mole di H2 per ogni due faraday.
Quindi, se la seconda semicella è attraversata da 1.84 · 10-4 faraday si ottengono
1.84 · 10-4 faraday( 1 mole H2/ 2 faradays) = 9.20 · 10-5 moli diH2
