Két elektrolizáló kádat a rajzon látható módon egymással sorba kötünk, és áramot vezetünk rajtuk keresztül. Az egyik kádban ezüstnitrát-oldat \(\mathrm{(AgNO_3)}\), a másikban alumíniumklorid-oldat \(\mathrm{(AlCl_3)}\) található. Bizonyos idő elteltével a negatív elektródákon $108\ \mathrm{gramm}$ ezüst, illetve $9\ \mathrm{gramm}$ alumínium válik ki. (A katódon kiváló egyéb ionok szerepét elhanyagolhatjuk.)
(Az alumínium moláris tömege $27\ \mathrm{\displaystyle{{g}\over {mol}}}$, az ezüst moláris tömege $108\ \mathrm{\displaystyle{{g}\over {mol}}}$. Az elektron töltése $-1,6\cdot {10}^{-19}\ \mathrm{C}$.)
a) Miért válik ki fém az elektródákon? Magyarázza el, hogy milyen folyamat zajlik le a kádakban!
A kádakban a katódból kilépő elektronok semlegesítik a pozitív töltésű fémionokat, ezért a katódon, azaz a negatív elektródán fém válik ki.
Adatok:
$M_{\mathrm{Al}}=27\ \mathrm{\displaystyle\frac{g}{mol}}$
$M_{\mathrm{Ag}}=108\ \mathrm{\displaystyle\frac{g}{mol}}$
a) Az elektrolízis folyamatának vázlatos ismertetése:
1 + 1 + 1 pont
A kádakban a katódból kilépő elektronok semlegesítik (1 pont) a pozitív töltésű fémionokat (1 pont), ezért a katódon, azaz a negatív elektródán fém válik ki (1 pont).
b) Hogyan magyarázható a kivált fémek tömegének aránya?
Mivel a soros kapcsolás miatt a két kádon azonos idő alatt átfolyó töltésmennyiség azonos, jelen esetben a kiváló fémek tömegarányát egyrészt az ionok tömege, másrészt az ionok töltése határozza meg. A megadott tömegértékekből következik, hogy ezüstből 1 mólnyi fém vált ki, míg alumíniumból 1/3 mólnyi, azaz minden semlegesített alumíniumionra három semlegesített ezüstion jut. Ez azért van így, mert az alumíniumionok töltése háromszorosa az ezüstionokénak.
b) Az elektródákon kiváló fémek tömegarányának értelmezése:
8 pont
(bontható)
Mivel a soros kapcsolás miatt a két kádon azonos idő alatt átfolyó töltésmennyiség azonos (1 pont), jelen esetben a kiváló fémek tömegarányát egyrészt az ionok tömege (1 pont), másrészt az ionok töltése (2 pont) határozza meg. A megadott tömegértékekből következik, hogy ezüstből 1 mólnyi (1 pont) fém vált ki, míg alumíniumból 1/3 mólnyi (1 pont), azaz minden semlegesített alumíniumionra három semlegesített ezüstion jut. Ez azért van így, mert az alumíniumionok töltése háromszorosa az ezüstionokénak (2 pont).
c) Változtat-e a kivált fémek tömegének arányán, ha az egyik kádba hígabb vagy sűrűbb oldatot teszünk? Ha igen, hogyan? Ha nem, akkor miért nem?
Az oldatból kiváló fém mennyiségét közvetlenül nem befolyásolja az oldatok sűrűsége, mivel a semlegesített ionok számát az átáramló töltésmennyiség határozza meg. Hiába volna tehát az egyik kádban pl. kétszer annyi ion.
c) Az oldatok sűrűségére vonatkozó kérdés megválaszolása és indoklása:
4 pont
(bontható)
Az oldatból kiváló fém mennyiségét közvetlenül nem befolyásolja az oldatok sűrűsége (2 pont), mivel a semlegesített ionok számát az átáramló töltésmennyiség határozza meg (2 pont). Hiába volna tehát az egyik kádban pl. kétszer annyi ion.
d) Mennyi idő alatt vált ki az elektródákon a $108\ \mathrm{gramm}$ ezüst és $9\ \mathrm{gramm}$ alumínium, ha az elektrolizáló áram erőssége \(120\ \mathrm{A}\) volt?
$t\approx 800\ \mathrm{s}$
d) Az elektrolízis idejének meghatározása:
5 pont
(bontható)
A fémionok kiváltásához szükséges töltésmennyiség $1\ \mathrm{mól}$ elektron töltése, ami $96\ 500\ \mathrm{Coulomb}$ (2 pont).
A megadott áramerősség mellett
$$t={{Q}\over {I}}$$ $$t={{96\ 500\ \mathrm{C}}\over {120\ \mathrm{A}}}$$
$$t\approx 800\ \mathrm{s}$$
(3 pont)
Összesen: 20 pont