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.