Esercizi risolti di elettrochimica: Leggi di Faraday e calcoli pratici
L’elettrochimica, un ramo della chimica che si concentra sui processi che coinvolgono lo scambio di elettroni attraverso un circuito esterno, è emersa grazie al lavoro di Alessandro Volta, inventore della pila. Uno degli aspetti principali dell’elettrochimica riguarda i processi di elettrolisi, in cui l’energia elettrica viene convertita in energia chimica attraverso reazioni non spontanee.
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Le leggi di Faraday costituiscono uno strumento essenziale per la trattazione quantitativa dell’elettrolisi. Esse stabiliscono due concetti fondamentali: la massa di un elemento depositato agli elettrodi è proporzionale alla quantità di elettricità che passa nella soluzione e le masse di diversi elementi depositati sono proporzionali ai loro equivalenti-grammo. Inoltre, per decomporre un equivalente di sostanza, sono necessari 96500 Coulomb, che costituiscono un Faraday.
In generale, la corrente elettrica, misurata in ampere, rappresenta il passaggio di un coulomb di carica al secondo, e il prodotto della corrente per il tempo fornisce la quantità totale di carica elettrica trasferita.
Esercizi di elettrochimica
1) Calcolo del volume di ossigeno formato
Per calcolare il volume di ossigeno formato dopo il passaggio di una corrente di 5.0 A per 25 minuti in una soluzione acida a 25°C e pressione di 1 atm, bisogna considerare le reazioni agli elettrodi e applicare le equazioni di stato dei gas ideali.
(-) catodo: 4 H+ + 4 e– → 2 H2
(+) anodo: 4 OH– → 2 H2O + O2 + 4 e–
Dopo i calcoli e le conversioni, si trova che il volume di ossigeno formato è di 0.475 L.
2) Calcolo del volume di idrogeno e cloro prodotti
Durante l’elettrolisi di una soluzione di cloruro di sodio con una corrente di 2.0 A per 2.0 minuti, si calcola il volume di idrogeno e cloro prodotti a condizioni standard di pressione e temperatura (STP). Applicando le equazioni di conversione mole-colore e la regola dei gas ideali, troviamo che il volume di idrogeno prodotto è di 0.0278 L, e il volume di cloro è lo stesso.
3) Calcolo del tempo necessario per la produzione di cloro
In un altro esercizio, si calcola il tempo necessario per produrre 2.0 dm3 di cloro attraverso una soluzione di NaCl con una corrente di 6.0 A a 25°C e 1 atm. Dopo i calcoli, si trova che il tempo necessario è di 2638 secondi.
4) Elettrolisi di una soluzione diluita di H2SO4
In un ultimo esercizio, vengono trattate la reazione completa e le semireazioni, il calcolo dei coulomb di carica passati nella cella in 100 minuti con una corrente di 10.0 A e il calcolo del calore prodotto dalla combustione completa dell’idrogeno prodotto. Questo tipo di esercitazione comprende un’analisi dettagliata su diverse fasi della elettrolisi.
In conclusione, la pratica e la comprensione delle leggi e dei principi dell’elettrochimica sono fondamentali per risolvere con successo gli esercizi legati a questo argomento.
