Esercitazione con soluzioni n.11- elettrochimica 1a parte - Chimica - a.a.2017/2018 PDF

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ESERCIZI ELETTROCHIMICA (1° parte) 1. Calcolare quanti grammi di cadmio si depositano al catodo per via elettrolitica, se nella cella contenente CdCl2 fuso passano 6 A per 15 minuti. Sappiamo che Q = It quindi qui t = 15*60 = 900 s e Q = 6*900 = 5400 C Sappiamo anche che 1F  96500 C Calcoliamo a quanti Faraday (x) corrispondono 5400C x = 5400/96500 = 0.05596 F Sappiamo che serve 1 F per far reagire 1 grammoequivalente però il cadmio è bipositivo: Cd2+ + 2e- Cd Quindi per ogni mole di Cd occorrono 2F quindi se adesso chiamiamo x il numero di moli di Cd: 2F/1mole = 0.05596F/x mole x = 0.05596/2 = 0.02798 mol quindi mCd = x*PA = 0.02798*112.4 = 3,145 g In realtà esiste un modo più semplice che consiste nell’usare una formuletta che deriva dalle leggi di Faraday: m = (PM*Q)/(n*F) dove n è il numero di elettroni scambiati: ricordiamo che Q = It e quindi possiamo scrivere : m = (PM*I*t)/(n*F) m = (112.4*6*900)/(2*96500) = 3.145 g 2. Calcolare la carica elettrica necessaria affinché al catodo di una cella elettrolitica contenente una soluzione di CuCl2 si scarichino 5 equivalenti di rame. Sappiamo che serve 1 F per far reagire 1 grammoequivalente quindi per 5 equivalenti di rame servono 5F. Q = 5*96500 = 482500 C 3. In due celle elettrolitiche separate, contenenti rispettivamente nitrato di argento e cloruro di alluminio fusi, passa una corrente di 0,5 A. Calcolare quanto argento e quanto alluminio si sono depositati ai rispettivi elettrodi dopo un'ora e venti minuti. In queste celle abbiamo le seguenti reazioni: Ag(NO3) : Ag(NO3) Ag+ + NO3- e quindi Ag+ + e- Ag quindi n = 1 AlCl3: AlCl3 Al3+ + 3Cl- e quindi Al3+ + 3e- Al quindi n = 3 m = (PM*I*t)/(n*F) t = 3600+20*60 = 4800s mAg = (107.87*0.5*4800)/(1*96500) = 2.68 g mAl = (26.98*0.5*4800)/(3*96500) = 0,224 g 4. Calcolare quanti grammi di zinco si depositano al catodo di una cella elettrolitica contenente ZnCl2 fuso, se vi passa per 30 minuti una corrente di 5 A. Abbiamo ZnCl2 Zn2+ + 2Cl- e Zn2+ + 2e- Zn quindi n = 2 mZn = (PM*I*t)/(n*F) e t = 30*60 = 1800s mZn = (65.37*5*1800)/(2*96500) = 3.05 g 5. Calcolare quanto tempo è necessario per separare elettroliticamente il rame contenuto in 500 ml di una soluzione 0,1 M di CuCl2, con una corrente di 2 A. Abbiamo CuCl2 Cu2+ + 2Cl- e Cu2+ + 2e- Cu quindi n = 2 m = (PM*I*t)/(n*F) quindi t = (m*n*F)/(PM*I) ma sappiamo che nCl = m/PM quindi t = (nCl*n*F)/(I) qui nCl = V*M = 0.5*0.1 = 0.05 mol t = (0.05*2*96500)/2 = 48250s ≈ 13 ore 24 min

6. Calcolare l'intensità di corrente necessaria per ottenere al catodo 2,5 g di oro all'ora da una soluzione di AuCl3. Abbiamo AuCl3 Au3+ + 3Cl- e Au3+ + 3e- Au quindi n = 3 m = (PM*I*t)/(n*F) quindi I = (m*n*F)/(PM*t) e t = 1 ora = 3600 s I = (2.5*3*96500)/(196.97*3600) = 1.02 A 7. Calcolare il tempo necessario per purificare 2,272 kg di argento puro all'85%, usato come anodo in una soluzione elettrolitica di nitrato di argento in cui viene fatta passare una corrente di 120 A. Abbiamo Ag+ + e- Ag quindi n = 1 Il peso di Ag puro è mAg = 0,85*2,272 = 1,931 kg = 1931 g m = (PM*I*t)/(n*F) quindi t = (m*n*F)/(PM*I) t = (1931*1*96500)/(107.87*120) = 14396 s ≈ 4 ore 8. Calcolare il volume occupato a 20 °C e a pressione atmosferica dal cloro liberato all'anodo di una cella elettrolitica contenente NaCl fuso, attraverso il quale viene fatta passare per 3 ore 45 minuti una corrente di 20 A. Abbiamo NaCl Na+ + Cl- e Cl2 + 2e- 2Cl- quindi n = 2 t = 3*3600+45*60 = 13500 s m = (PM*I*t)/(n*F) ma sappiamo che nCl = m/PM quindi nCl = (I*t)/(n*F) qui nCl2 = (20*13500)/(2*96500) = 1.39896 mol Calcoliamo il volume corrispondente tramite la legge dei gas perfetti: V = nCl2RT/p V = (1,39896*0,08206*293)/1 = 33,64 l 9. Sapendo che il potenziale per la semireazione: Al 3+ + 3e- → Al(s) vale E° = -1,66V calcolare il potenziale per le seguenti semireazioni: a) 2Al 3+ + 6e- → 2Al(s); b) Al(s) → Al3++ 3ea) è la stessa reazione di Al3+ + 3e- → Al(s), è semplicemente stata moltiplicata per due, che nn influenza il valore del potenziale quindi E° = -1,66V. b) è la reazione inversa, E° avrà quindi segno opposto: E° = 1,66V 10. Calcolare la f.e.m.: a) di una cella in cui una semicella è l’elettrodo normale a idrogeno e la seconda è costituita da un elettrodo di Zn in una soluzione 1M di ZnSO 4; dire quale dei 2 elementi funge da anodo. b) Di una cella in cui una semicella è l’elettrodo normale a idrogeno e la seconda è costituita da un elettrodo di rame immerso in una soluzione 1M di CuSO4; qual è l’anodo? c) Di una cella in cui una semicella è costituita da un elettrodo di Zn immerso in una soluzione 1M di ZnSO4 e la seconda da un elettrodo di Cu in una soluzione 1M di CuSO 4; qual è l’anodo? I potenziali standard di riduzione di Cu2+ e Zn2+ sono rispettivamente +0,34 V e -0,76 V. a) Scriviamo le semi reazioni: 2H+ + 2e- H2 E° = 0 V Zn2+ + 2e- Zn E° = -0,76 V L’anodo ha il potenziale standard minore, quindi la semicella con l’elettrodo a Zn è l’anodo e quindi Ecella = EC - EA = 0 – (-0,76) = + 0,76 V

b) Scriviamo le semi reazioni: 2H+ + 2e- H2 E° = 0 V Cu2+ + 2e- Cu E° = +0,34 V L’anodo ha il potenziale standard minore quindi la semicella con l’elettrodo a idrogeno è l’anodo e quindi Ecella = EC - EA = 0,34 – 0 = + 0,34 V c) Scriviamo le semi reazioni: Zn2+ + 2e- Zn E° = -0,76 V Cu2+ + 2e- Cu E° = +0,34 V L’anodo ha il potenziale standard minore quindi la semicella con l’elettrodo a Zn è l’anodo e quindi Ecella = EC - EA = 0,34 – (-0,76) = +1,1 V 11. Calcolare la f.e.m. di una cella in cui una semicella sia costituita da Zn in ZnSO 4 1M e la seconda Ag in AgNO3 1 M. Qual è l’anodo? Scrivere la notazione convenzionale. E° Zn/ Zn2+ =-0,76 V, E°Ag/ Ag+ = 0,80 V. Scriviamo le semi reazioni: Zn2+ + 2e- Zn E° = -0,76 V Ag+ + e- Ag E° = 0,80 V L’anodo ha il potenziale standard minore quindi la semicella con l’elettrodo a Zn è l’anodo e quindi Ecella = EC - EA = 0,80 – (-0,76) = + 1,56 V Notazione convenzionale: Zn | Zn2+, [Zn2+] = 1M || [ Ag+] = 1M, Ag+ | Ag 12. Calcolare il potenziale di una semicella costituita da una sbarretta di Zn immersa in una soluzione contenente ioni Zn2+ in concentrazione 1,80 M e il potenziale di una semicella costituita da una sbarretta di Cu immersa in una soluzione 0,20 M in ioni Cu 2+. Calcolare la f.e.m. nella cella che si ottiene abbinando le 2 semicelle descritte. Scriviamo le semi reazioni: Zn2+ + 2e- Zn E° = -0,76 V Cu2+ + 2e- Cu E° = +0,34 V L’anodo ha il potenziale standard minore, quindi l’elettrodo a Zn è l’anodo. E°cella = E°C – E°A = 0,34 – (-0,76) = + 1,1 V Però, in questo caso non siamo in condizioni standard quindi E ≠ E°, dobbiamo applicare la legge di Nernst. Primo metodo: Scriviamo la reazione complessiva (Zn è l’anodo quindi si parte da Zn metallo e si finisce con Cu metallo…) Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu E = E° - (0.059/n)log ([Zn2+]/[ Cu2+]) E = 1,1 – (0.059/2)log(1.80/0.20) = 1.07 V Secondo metodo: Calcoliamo prima il potenziale di ogni semicella, Zn2+ + 2e- Zn EA = E°A – (0.059/n)log([Zn]/[Zn2+]) ma Zn è un metallo quindi, EA = E°A – (0.059/n)log(1/[Zn2+]) EA = -0.76 – (0.059/2)log(1/1.80) = - 0.75 V Cu2+ + 2e- Cu EC = E°C – (0.059/n)log([Cu]/[Cu2+]) ma Cu è un metallo quindi, EC = E°C – (0.059/n)log(1/[Cu2+]) EC = 0.34 – (0.059/2)log(1/0.20) = 0.32 V Finalmente E = EC - EA

E = 0.32 – (-0.75) = 1.07 V 13. Calcolare quanto Pb si deposita al catodo di una cella nella quale una soluzione acida di acetato di Pb(II) viene elettrolizzata per 180 minuti con una corrente di 5A Abbiamo Pb2+ + 2e- Pb quindi n = 2 m = (PM*I*t)/(n*F) e t = 180*60 = 10800 s m = (207.19*5*10800)/(2*96500) = 58g 14. Sapendo che la f.e.m. standard della pila Cr/Cr 3+//Ni2+/Ni vale 0,49 V, calcolare la f.e.m. a 25°C per concentrazioni molari uguali a Cr3+ = 0,05 M Ni2+ = 0,01 M Scriviamo le semi reazioni e la reazione complessiva: (Cr3+ + 3e- Cr )*2 (Ni2+ + 2e- Ni )*3 2Cr + 3Ni2+ 2Cr3+ + 3Ni Quindi usiamo la legge di Nernst per calcolare il potenziale: E = E° - (0.059/n)log([Cr3+]2/[Ni2+]3) E = 0.49 – (0.059/6)log(0.052/0.013) = 0.46 V 15. Un elettrodo inerte di platino immerso in una soluzione acquosa in cui [Cr 3+] = 0,3 M e [Cr2+] = 0,4 M. Si calcoli il potenziale (in Volt) effettivo d'elettrodo sapendo che il potenziale standard della coppia Cr3+ /Cr2+ vale -0,41 V Scriviamo la semi reazione: Cr3+ + e- Cr2+ Quindi E = E° - (0.059/n)log([Cr2+]/[Cr3+]) E = -0.41 – (0.059/1)log(0.4/0.3) = -0.417 V 16. La f.e.m. di una pila Ni / Ni2+ //Ag+ /Ag vale 1,10 V. Calcolare la concentrazione molare degli ioni Ni2+ se quella degli ioni Ag+ vale 1,4 M. E°Ni/Ni2+ = -0.257 V; E°Ag+/Ag = +0.800 V Scriviamo le semireazioni: Ni2+ + 2e- Ni (Ag+ + e- Ag)*2 L’elettrodo a Ni ha il potenziale standard più basso quindi è l’anodo. Scriviamo la reazione complessiva Ni + 2Ag+ Ni2+ + Ag Applicando Nernst abbiamo: E = E° - (0.059/2)log([Ni2+]/[Ag+]2) Con E° = E°C – E°A = 0.800 - (-0.257) = 1.057 V Poniamo Q = [Ni2+]/[Ag+]2 Abbiamo allora: 1.057 - (0.059/2)logQ = 1.10 Quindi -logQ = (1.10-1.057)/(0.059/2) = 1.46 Quindi Q = 10-1.46 = 0.035 [Ni2+]/[Ag+]2 = 0.035 quindi [Ni2+] = 0.035*[Ag+]2 [Ni2+] = 0.035*1.42 = 6.86.10-2 M...