Guida pratica ai calcoli nell’elettrolisi: Determinazione del prodotto e del tempo richiesto

Nel contesto della chimica elettrolitica, l’elettrolisi è un processo fondamentale attraverso il quale, sfruttando la corrente elettrica, è possibile indurre reazioni chimiche che conducono alla formazione o al consumo di determinate sostanze. Per eseguire correttamente i calcoli legati a questo processo, è essenziale comprendere le rilevanti leggi di Faraday.

I tre fattori fondamentali

Esploriamo i tre elementi cruciali implicati nella quantificazione della sostanza prodotta o consumata durante l’elettrolisi:
– L’

intensità di corrente

, ovvero la misurazione del flusso di cariche elettriche in un circuito, espressa in ampere (A).
– Il

tempo di durata

dell’elettrolisi, rappresentato in secondi (s).
– Il

numero di elettroni

che partecipano alla reazione per produrre o distruggere una mole di una particolare sostanza.

Legami stechiometrici e relazioni matematiche

La relazione tra questi concetti è descritta dalle seguenti formule fondamentali:
– A (ampere) x t (secondi) = Q (quantità di carica in coulomb)
– 1 Faraday (F) = 96500 Coulomb (C)
– 1 F corrisponde a 1 mole di elettroni spostati

Calcoli per la quantità di sostanza e il tempo di elettrolisi

Determinazione della quantità di sostanza

Per determinare la quantità di una sostanza prodotta o consumata, i passi da seguire sono:
– Annotare la semi-reazione di riduzione o ossidazione interessata.
– Calcolare le moli di elettroni coinvolti.
– Qui, convertire le moli di elettroni nelle moli di sostanza agli elettrodi.
– Dopo aver determinato le moli, convertirle in grammi.

Esempio di calcolo

Supponiate di voler calcolare la massa di ferro prodotta al catodo introducendo una corrente di 40.0 A in una soluzione contenente ioni Fe3+ per un periodo di 10 ore.

1. La semi-reazione al catodo è la seguente:

[Fe^{3+} + 3 e^- → Fe]

2. Convertendo le ore in secondi, abbiamo:

[10 text{ ore} = 10 times 3600 text{ secondi} = 36000 text{ secondi}]

3. Calcoliamo la carica passata attraverso la soluzione:

[Q = I times t = 40.0 text{ A} times 36000 text{ s} = 1.44 times 10^6 text{ C}]

4. Determiniamo i Faraday equivalenti alla carica passata:

[F = frac{Q}{96500} = frac{1.44 times 10^6 text{ C}}{96500 text{ C/F}} = 14.9 text{ F}]

5. Convertiamo i Faraday in moli di ferro:

[Moli text{ di } Fe = frac{F}{3} = frac{14.9 text{ F}}{3} = 4.97 text{ moli}]

6. Infine, trasformiamo le moli in grammi:

[text{Massa di } Fe = Moli times text{peso atomico di } Fe = 4.97 text{ moli} times 55.847 text{ g/mol} = 278 text{ g}]

Continuando con altri metaodi di calcolo, possiamo anche stabilire il tempo necessario per depositare una data quantità di sostanza o la corrente che deve essere applicata per ottenere un determinato volume di un gas.

Valutazione del tempo richiesto per un deposito specifico

Per esempio, il tempo necessario per depositare 25.00 g di zinco, avendo una corrente di 20.0 A, può essere calcolato seguendo i passaggi illustrati precedentemente.

Stima della corrente per un volume di gas

Nella determinazione della corrente richiesta per generare 400.0 L di idrogeno gassoso in un’ora dall’elettrolisi dell’acqua, si deve considerare il volume molare del gas a condizioni standard e procedere con i calcoli analoghi a quelli sopracitati.

Conclusioni

Attraverso queste procedure di calcolo, possiamo prevedere con esattezza la dinamica dell’elettrolisi. Per ulteriori informazioni o esercizi pratici, è utile consultare risorse specializzate e affidabili nel campo della chimica, come quelle disponibili su Chimica.Today o direttamente su testi universitari e pubblicazioni scientifiche.

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