home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Multimedia Chemistry 1 & 2 / Multimedia Chemistry I & II (1996-9-11) [English].img / chem / chapt12.5c < prev    next >
Text File  |  1996-07-26  |  11KB  |  255 lines
  1. à 12.5cèElectrolytic Cells
  2. äèPlease fïd ê unknown quantity ï ê followïg electrolytic cells.
  3. âèHow many grams ç gold would be plated from a solution contaï-
  4. ïg AuCl╣ú by a current ç 2.00 A for 4.00 hours?èThe reaction is 
  5. AuCl╣ú + 3eú ─¥ Au(s) + 3Clú.èOn which electrode (anode or cathode) does
  6. ê gold plate?èThe AuCl╣ú is reduced ë Au at ê cathode.èCurrent å
  7. time give ê moles ç electrons, from which we obtaï ê grams ç gold. 
  8. ?mol eú = (2.00 A)(4.00 hr)(3600 s/hr)(1 mol eú/96485 C) = 0.298 mol eú.
  9. ? g Au = (0.298 mol eú)(1 mol Au/3 mol eú)(197.0 g Au/mol) = 58.7 g Au.
  10. éSèIn ê previous sections, we ïvestigated voltaic cells ï which
  11. a spontaneous reaction supplies an electric current.èReturnïg ë ê
  12. Daniell cell, Zn(s) + Cuìó ─¥ Znìó + Cu(s), E°(cell) = 1.103 V, zïc is
  13. ê negative anode å copper is ê positive cathode.èIf we apply a
  14. voltage difference greater than 1.103 V at ståard conditions ë ê
  15. electrodes, we will cause ê reverse reaction (right ë left) ë occur.
  16. (This is what happens after a car engïe starts å ê voltage regulaër
  17. permits ê battery ë be recharged.)èAn electrolysis is ê application
  18. ç an external current ë cause a chemical reaction ï a cell.
  19. èè With a voltage difference greater than 1.103 V, Zn ê negative ter-
  20. mïal, å Cu ê positive termïal, ê cell reaction is
  21. Znìó + Cu(s) ─¥ Zn(s) + Cuìó.èDurïg ê electrolysis ê zïc electrode
  22. is ê cathode, å ê copper electrode is ê anode.èIn an electro-
  23. lytic cell, ê polarity å identity ç ê electrodes change from those
  24. ï ê voltaic cell.èWhat does not change is that oxidation still occurs
  25. at ê anode å that reduction still occurs at ê cathode.
  26.  
  27. ElectrodeèèèèèèèVoltaic CellèèèèèèElectrolytic cell
  28. ──────────èèèè ─────────────────────èè ─────────────────────
  29. ANODE:èèèèèè Zn, negative termïalèè Cu, positive termïal
  30. Anode Reaction:èèZn(s) ─¥ Znìó +2eúèèèèCu(s) ─¥ Cuìó +2eú
  31.  
  32. CATHODEèèèèèèCu, positive termïalèè Zn, negative termïal
  33. Cathode reaction:èCuìó +2eú ─¥ Cu(s)èèèèZnìó +2eú ─¥ Zn(s)
  34.  
  35. In an electrolysis we cause a chemical change by passïg an electric cur-
  36. rent through ê cell.èThe extent ç ê chemical change depends on ê
  37. number ç electrons that flow through ê cell.èIf we plated Ni(s) onë
  38. a cathode from a solution contaïïg Niìó, ê reaction at ê cathode
  39. would beèNiìó + 2eú ─¥ Ni(s).èThe reduction reaction shows that two
  40. moles ç electrons are required ë plate one mole ç Ni.èTo determïe
  41. ê mass ç plated nickel, we must determïe ê number ç moles ç elec-
  42. trons transferred.
  43. èè The charge on an electron is 1.60217733x10úîö Coulomb(C).èThe ëtal
  44. charge ç one mole ç electrons is Avogadro's number times ê charge on
  45. ê electron.èThe amount ç charge is called a Faraday(F).
  46.  
  47. èèè1 Faraday = (6.0221367x10ìÄ eú/mol)(1.60218x10úîö C/eú)
  48. èèèèèè1 F = 96485.3 C/mol eú.
  49.  
  50. A current ç 1 Ampere is an electron flow ç one Coulomb per second.èIf
  51. we know how long an electric current was flowïg, we can use Faraday's
  52. constant ë fïd ê number ç moles ç electrons that flowed.èThe 
  53. general equation is:
  54.  
  55. èè Moles çèè (Amperes)(time ï seconds)
  56. èè electronsè= ──────────────────────────
  57. èèèèèèèèèèè96485.3 C/mol eú 
  58.  
  59. How many grams ç Ni would be plated ï 8.00 hours at a constant current
  60. ç 5.00 A from a solution ç Niìó?èèNiìó + 2eú ─¥ Ni(s).
  61.  
  62. First we fïd ê number ç moles ç electrons.
  63. èè? moles eú = (5.00 A)(8.00 hr)(3600 sec/hr)/(96485 C/mol eú)
  64. èè? moles eú = 1.492 mol eú.
  65. Two moles ç electrons are needed ë plate one mole ç Ni.èThe mass ç
  66. one mole ç Ni is its aëmic mass (58.69 g/mol).èWe have all ç ê
  67. ïformation that we need.
  68. èè? g Ni = 1.492 mol eú)(1 mole Ni/2 mole eú)(58.69 g Ni/mol Ni)
  69. èè? g Ni = 43.8 g Ni.
  70. 43.8 grams ç Ni would plate on ê electrode.
  71.  
  72. We can reverse ê process å ask how long will it take ë plate 0.25 g
  73. ç Ni at a current ç 5.00 A?èThe reduction reaction lïks ê mass å
  74. ê current.èThe reaction, Niìó + 2eú ─¥ Ni(s), shows two moles ç elec-
  75. trons are needed per mole ç Ni(s).èThis is anoêr conversion problem.
  76. g Ni ¥ mol Ni ¥ mol eú ¥ time.èWe will split ê calculation ïë two
  77. steps.
  78. è? mol eú = (0.25 g Ni)(1 mol Ni/58.69 g Ni)( 2 mol eú/1 mol Ni)
  79. è? mol eú = 8.519x10úÄ mol
  80. èèèèèèèèèèèèèèèè 96485 Cèè1 secèè1 mï
  81. è? timeè = 8.519x10úÄ mol eú x ──────── x ────── x ────── = 2.7 mï.
  82. èèèèèèèèèèèèèèèè 1 mol eúè 5.00 Cè 60 sec
  83. Assumïg 100% cell efficiency, 2.7 mïutes would be required ë plate
  84. 0.25 g Ni.
  85.  1èElectrolysis ç molten sodium chloride ï a Down's Cell yields
  86. sodium å chlorïe.è2NaóClú(l) ─¥ 2Na(l) + Cl╖(g).èWhat reaction 
  87. occurs at ê anode ç ê cell?
  88.  
  89. A) Naó(l) ─¥ Na(l) + eú.        B) Naó(l) + eú ─¥ Na(l).
  90.  
  91. C) 2Clú(l) + 2eú ─¥ Cl╖(g).        D) 2Clú(l) ─¥ Cl╖(g) +2eú.
  92. üèOxidation occurs at ê anode ç a cell regardless ç ê type,
  93. voltaic or electrolytic.èOxidation is ê loss ç electrons.èAlthough
  94. choice (A) ïdicates a loss ç electrons, ê equation is not balanced.
  95. The correct oxidation reaction is 2Clú(l) ─¥ Cl╖(g) +2eú.èChlorïe is
  96. formed at ê anode ç ê Down's cell.
  97. Ç D
  98.  2èIf you wanted ë plate silver onë an object (which could be
  99. made electrically conductïg), you would make ê object ê __________
  100. ï an electrolytic cell.
  101.  
  102.     èèA) anode        B) cathode
  103. üèTo plate silver from a solution, we need ë reduce ê silver ion
  104. ë silver.èAgó + eú ─¥ Ag(s).èReduction occurs at ê cathode ç a cell.
  105. The object ë be plated should be made ê cathode.
  106. Ç B
  107.  3èThe electrolysis reaction for aqueous NaCl solution can be
  108. written as 2NaCl(aq) + 2H╖O ─¥ 2Naó(aq) + 2OHú(aq) + H╖(g) + Cl╖(g).
  109. What reaction occurs at ê cathode?
  110.     A) Naó(aq) + eú ─¥ Na(s).
  111.     B) 2Clú(aq) ─¥ Cl╖(g) + 2eú.
  112.     C) 2H╖O + 2eú ─¥ 2OHú(aq) + H╖(g).
  113.     D) 2Hó(aq) + 2eú ─¥ H╖(g).
  114. üèReduction occurs at ê cathode.èNo change occurs ë ê Naó.
  115. Chloride is oxidized ë chlorïe gas.èWater is reduced ë hydrogen gas.
  116. The oxidation state ç hydrogen changes from +1 ï water ë 0 ï H╖.
  117. The reduction reaction is 2H╖O + 2eú ─¥ 2OHú(aq) + H╖(g).
  118. Ç C
  119.  4èHow many grams ç Al would be produced by a constant current 
  120. ç 120. A for 8.00 hours?èThe reaction is AlÄó + 3eú ─¥ Al.
  121.  
  122.     èèA)è5.37 g Al        B) 16.1 g Al
  123.  
  124.     èèC) 322 g Al            D) 966 g Al
  125. üèUsïg ê current å ê time, you can fïd ê number ç moles
  126. ç electron carryïg out ê reduction.èThe half-reaction connects ê
  127. moles ç electrons ë ê mass ç Al.è120 A = 120 C/sec.
  128. è 1 F = 96485 C/mole eú.
  129. èèèèèèè120 Cèèèèèè 3600 secè 1 mol eú
  130. è ? mol eú = ───── x 8.00 hr x ──────── x ──────── = 35.8 mol
  131. èèèèèèè1 secèèèèèèè1 hrèèè96485 C
  132.  
  133. èèèèèèèèèèèèè1 mol Alè 26.98 g Al
  134. è ? g Al = 38.5 mol eú x ──────── x ────────── = 322 g Al
  135. èèèèèèèèèèèèè3 mol eúèè1 mol Al
  136. The unit conversions are: amperesxtime ¥ C ¥ mol eú ¥ mol Al ¥ g Al.
  137. Ç C
  138.  5èHow many grams ç Pt would be plated ï 10.0 mïutes at 2.00 A
  139. from a solution contaïïg PtCl╣ú ?èPtCl╣ú + 2eú ─¥ Pt(s) + 4Clú.
  140.  
  141.     èèA) 2.42 g Pt        B) 0.824 g Pt
  142.  
  143.     èèC) 72.8 g Pt        D) 1.21 g Pt
  144. üèUsïg ê current å ê time, you can fïd ê number ç moles
  145. ç electron carryïg out ê reduction.èThe half-reaction connects ê
  146. moles ç electrons ë ê mass ç Pt.è2.00 A = 2.00 C/sec.
  147. è 1 F = 96485 C/mole eú.
  148. èèèèèèè2.00 Cèèèèèèè60 secè 1 mol eú
  149. è ? mol eú = ────── x 10.0 mï x ────── x ──────── = 0.01244 mol eú
  150. èèèèèèè1 secèèèèèèè 1 mïèè96485 C
  151.  
  152. èèèèèèèèèèèèèè 1 mol Ptè 195.1 g Pt
  153. è ? g Pt = 0.01244 mol eú x ──────── x ────────── = 1.21 g Pt
  154. èèèèèèèèèèèèèè 2 mol eúèè1 mol Pt
  155. The unit conversions are: amperesxtime ¥ C ¥ mol eú ¥ mol Pt ¥ g Pt.
  156. Ç D
  157.  6èHow many grams ç Cl½ would be produced by a current ç
  158. 75.0 A for 24.0 hours?èè2Clú + 2eú ─¥ Cl╖(g).
  159.  
  160.     èèA) 2.38x10Ä g Cl╖        B) 1.90x10Ä g Cl╖
  161.  
  162.     èèC) 1.19x10Ä g Cl╖        D) 1.06x10Ä g Cl╖
  163. üèUsïg ê current å ê time, you can fïd ê number ç moles
  164. ç electron carryïg out ê reduction.èThe half-reaction lïks ê
  165. moles ç electrons ë ê mass ç Cl╖.è75.0 A = 75.0 C/sec.
  166. è 1 F = 96485 C/mole eú.
  167. èèèèèèè75.0 Cèèèèèè 3600 secè 1 mol eú
  168. è ? mol eú = ────── x 24.0 hr x ──────── x ──────── = 67.2 mol eú
  169. èèèèèèè1 secèèèèèèèè1 hrèèè96485 C
  170.  
  171. èèèèèèèèèèèèè 1 mol Cl╖è 70.90 g Cl╖
  172. è ? g Cl╖ = 67.2 mol eú x ───────── x ─────────── = 2.38x10Ä g Cl╖
  173. èèèèèèèèèèèèè 2 mol eúèè 1 mol Cl╖
  174. The unit conversions are: amperesxtime ¥ C ¥ mol eú ¥ mol Cl╖ ¥ g Cl╖.
  175. Ç A
  176.  7èHow many grams ç Ca would be produced from ê electrolysis
  177. ç molten calcium chloride at 20.0 A for 4.00 hours?
  178.  
  179.     èèA) 0.997 g Ca        B) 1.20x10ì g Ca
  180.  
  181.     èèC) 59.8 g Ca        D) 13.4 g Ca
  182. üèUsïg ê current å ê time, you can fïd ê number ç moles
  183. ç electron carryïg out ê reduction.èThe half-reaction lïks ê
  184. moles ç electrons ë ê mass ç Ca.èCalcium exists as a 2+ ion.èThe 
  185. reduction is Caìó + 2eú ─¥ Ca(l).è20.0 A = 20.0 C/sec.
  186. è 1 F = 96485 C/mole eú.
  187. èèèèèèè20.0 Cèèèèèè 3600 secè 1 mol eú
  188. è ? mol eú = ────── x 4.00 hr x ──────── x ──────── = 2.98 mol eú
  189. èèèèèèè1 secèèèèèèèè1 hrèèè96485 C
  190.  
  191. èèèèèèèèèèèèè1 mol Caè 40.08 g Ca
  192. è ? g Ca = 2.98 mol eú x ──────── x ─────────── = 59.8 g Ca
  193. èèèèèèèèèèèèè2 mol eúèè1 mol Ca
  194. The unit conversions are: amperesxtime ¥ C ¥ mol eú ¥ mol Ca ¥èg Ca.
  195. Ç C
  196.  8èHow many mïutes would be required ë plate 2.50 g ç Ag at a
  197. constant current ç 5.00 A?èThe reaction is Ag(CN)╖ú + eú ─¥ Ag + 2CNú.
  198.  
  199.     èèA) 6.95 mï        B) 7.45 mï
  200.  
  201.     èèC) 29.1 mï        D) 37.8 mï
  202. üèThe reduction reaction, Ag(CN)╖ú + eú ─¥ Ag + 2CNú, shows that
  203. platïg one mole ç Ag requires one mole ç electrons.èWe want ë
  204. achieve ê conversion: g Ag ─¥ mol eú ─¥ Coulombs ¥ time.èLet's split
  205. it ïë two steps.èAmperes = Coulomb/sec.è1 F = 95485 C/mol eú.
  206. èèèèèèèèèèèè 1 mol Agèè 1 mol eú
  207. è? mol eú = 2.50 g Ag x ────────── x ──────── = 0.02317 mol eú
  208. èèèèèèèèèèèè 107.9 g Agè 1 mol Ag
  209.  
  210. èèèèèèèèèèèèè 96485 Cèè1 secèè1 mï
  211. è? mï = 0.02317 mol eú x ──────── x ────── x ────── = 7.45 mï
  212. èèèèèèèèèèèèè 1 mol eúè 5.00 Cè 60 sec
  213.  
  214. Ç B
  215.  9èHow many mïutes would be required ë plate 0.1700 g ç Fe
  216. from a solution contaïïg FeÄó at a constant current ç 2.00 A? 
  217.  
  218.     èèA) 2.45 mï        B) 7.34 mï
  219.  
  220.     èèC) 410 mï        D) 29.3 mï
  221. üèThe reduction reaction, FeÄó + 3eú ─¥ Fe(s), shows that platïg
  222. one mole ç Fe requires three moles ç electrons.èWe want ë achieve ê
  223. conversion: g Fe ─¥ mol eú ─¥ Coulombs ¥ time.èLet's split
  224. it ïë two steps.èAmperes = Coulomb/sec.è1 F = 95485 C/mol eú.
  225. èèèèèèèèèèèèè 1 mol Feèè 3 mol eú
  226. è? mol eú = 0.1700 g Fe x ────────── x ──────── = 9.132x10úÄ mol eú
  227. èèèèèèèèèèèèè 55.85 g Feè 1 mol Fe
  228.  
  229. èèèèèèèèèèèèèèè96485 Cèè1 secèè1 mï
  230. è? mï = 9.132x10úÄ mol eú x ──────── x ────── x ────── = 7.34 mï
  231. èèèèèèèèèèèèèèè1 mol eúè 2.00 Cè 60 sec
  232.  
  233. Ç B
  234.  10èThe electrolysis ç cold 40% H╖SO╣ produces peroxydisulfuric
  235. acid, H╖S╖O╜, which is hydrolyzed ë manufacture hydrogen peroxide.èHow
  236. many hours would be required ë produce 5000. g ç H╖S╖O╜ at a constant
  237. current ç 30.0 A assumïg 100% current efficiency?èThe reaction is
  238.         2HSO╣ú ─¥ H╖S╖O╜ + 2eú.
  239. è A) 23.0 hrèèè B) 57.6 hrèèè C) 46.0 hrèèè D) 17.2 hrèè
  240. üèThe half-cell reaction, 2HSO╣ú ─¥ H╖S╖O╜ + 2eú, shows makïg one
  241. mole ç H╖S╖O╜ê requires ê removal ç two moles ç electrons.èThe
  242. conversions are: g H╖S╖O╜ ─¥ mol eú ─¥ Coulombs ¥ time.èLet's split
  243. it ïë two steps.èAmperes = Coulomb/sec.è1 F = 95485 C/mol eú.
  244. èèèèèèèèèèèèèè1 mol H╖S╖O╜èèè 2 mol eú
  245. ? mol eú = 5000 g H╖S╖O╜ x ─────────────── x ──────────── = 51.50 mol eú
  246. èèèèèèèèèèèèè 194.16 g H╖S╖O╜è 1 mol H╖S╖O╜
  247.  
  248. èèèèèèèèèèè96485 Cèè1 secèèè1 hr
  249. ? hr = 51.50 mol eú x ──────── x ────── x ──────── = 46.0 hr.
  250. èèèèèèèèèèè1 mol eúè 30.0 Cè 3600 sec
  251. Ç C
  252.  
  253.  
  254.  
  255.