Kafli 17 - Svör við æfingum

Svör við æfingum

17.1 Yfirlit yfir oxunar-afoxunarefnafræði

(a) afoxun; (b) oxun; (c) oxun; (d) afoxun

(a) ${\text{F}}_{2}+\text{Ca}\, \longrightarrow \, {\text{2F}}^{\text{−}}+{\text{Ca}}^{{2+}};$ (b) ${\text{Cl}}_{2}+\text{2Li}\, \longrightarrow \, {\text{2Li}}^{\text{+}}+{\text{2Cl}}^{\text{−}};$ (c) ${\text{3Br}}_{2}+\text{2Fe}\, \longrightarrow \, {\text{2Fe}}^{{3+}}+{\text{6Br}}^{\text{−}};$ (d) ${\text{MnO}}_{4}^{—}+{\text{4H}}^{\text{+}}+\text{3Ag}\, \longrightarrow \, {\text{3Ag}}^{\text{+}}+{\text{MnO}}_{2}+{\text{2H}}_{2}\text{O}$

Oxast: (a) Sn²⁺; (b) Hg; (c) Al; afoxast: (a) H₂O₂; (b) PbO₂; (c) ${{{\text{Cr}}}_{2}{\text{O}}_{7}^{2−};}$ oxunarefni: (a) H₂O₂; (b) PbO₂; (c) ${{{\text{Cr}}}_{2}{\text{O}}_{7}^{2−};}$ afoxunarefni: (a) Sn²⁺; (b) Hg; (c) Al

Oxast = afoxunarefni: (a) ${{{\text{SO}}}_{3}^{\text{2−}};}$ (b) Mn(OH)₂; (c) H₂; (d) Al; afoxast = oxunarefni: (a) Cu(OH)₂; (b) O₂; (c) ${{{\text{NO}}}_{3}^{\text{−}};}$ (d) ${{{\text{CrO}}}_{4}^{2−}}$

Í basískri lausn er [OH⁻] > 1 $\times$ 10⁻⁷ M > [H⁺]. Vetnisjón getur ekki komið fyrir sem hvarfefni því styrkur hennar er í raun núll. Ef hún myndaðist myndi hún samstundis hvarfast við umframmagn hýdroxíðjóna og mynda vatn. Þess vegna á vetnisjón ekki að koma fyrir sem hvarfefni eða myndefni í basískri lausn.

17.2 Rafefnafrumur

(a) ${\text{Mg}(s)\, │\, {{\text{Mg}}}^{{2+}}(aq)║{{\text{Ni}}}^{\text{2+}}(aq)\, │\, \text{Ni}(s);}$ (b) ${\text{Cu}(s)\, │\, {{\text{Cu}}}^{{2+}}(aq)║{{\text{Ag}}}^{\text{+}}(aq)\, │\, \text{Ag}(s);}$ (c) ${\text{Mn}(s)\, │\, {{\text{Mn}}}^{{2+}}(aq)║{{\text{Sn}}}^{{2+}}(aq)\, │\, \text{Sn}(s);}$ (d) ${\text{Pt}(s)\, │\, {{\text{Cu}}}^{\text{+}}(aq{{\text{), Cu}}}^{{2+}}(aq)║{{\text{Au}}}^{{\text{3+}}}(aq)\, │\, \text{Au}(s)}$

(a) ${\text{Mg}(s)+{{\text{Cu}}}^{{2+}}(aq)\, \longrightarrow \, {{\text{Mg}}}^{{2+}}(aq)+\text{Cu}(s);}$ (b) ${2{{\text{Ag}}}^{\text{+}}(aq)+\text{Ni}(s)\, \longrightarrow \, {{\text{Ni}}}^{{2+}}(aq)+\text{2Ag}(s)}$

Efni sem oxast = afoxari: (a) Al(s); (b) NO(g); (c) Mg(s); og (d) MnO₂(s); Efni sem afoxast = oxari: (a) Zr⁴⁺(aq); (b) Ag⁺(aq); (c) ${{{\text{SiO}}}_{3}^{2−}(aq)}$ ; og (d) ${{{\text{ClO}}}_{3}^{\text{−}}(aq)}$

Án saltbrúarinnar væri rafrásin opin (eða rofin) og enginn straumur gæti flætt. Með saltbrú helst hvort hálfker fyrir sig rafhlutlaust og straumur getur flætt um rafrásina.

Virk raftroð taka þátt í oxunar-afoxunarhvarfinu. Þar sem málmar mynda katjónir myndi raftroðið léttast ef málmatóm í raftroðinu myndu oxast og fara út í lausnina. Oxun á sér stað við anóðuna.

17.3 Raftroðs- og kerspenna

(a) +2,115 V (sjálfgengt); (b) +0,4626 V (sjálfgengt); (c) +1,048 V (sjálfgengt); (d) +0,727 V (sjálfgengt)

$3\text{Cu}(s)+{\text{2Au}}^{{3+}}(aq)\, \longrightarrow \, {\text{3Cu}}^{{2+}}(aq)+\text{2Au}(s)\text{;}$ +1,16 V; sjálfgengt

$3\text{Cd}(s)+{\text{2Al}}^{{3+}}(aq)\, \longrightarrow \, {\text{3Cd}}^{{2+}}(aq)+\text{2Al}(s);$ −1,259 V; ósjálfgengt

17.4 Kerspenna, frjáls orka og jafnvægi

(a) 0 kJ/mól; (b) −83,7 kJ/mól; (c) +235,3 kJ/mól

(a) staðalíspenna: 1,50 V, sjálfgengt; kerspenna við gefnar aðstæður: 1,43 V, sjálfgengt; (b) staðalíspenna: 1,405 V, sjálfgengt; kerspenna við gefnar aðstæður: 1,423 V, sjálfgengt; (c) staðalíspenna: −2,749 V, ósjálfgengt; kerspenna við gefnar aðstæður: −2,733 V, ósjálfgengt

(a) 1,7 $\times$ 10⁻¹⁰; (b) 2,6 $\times$ 10⁻²¹; (c) 4,693 $\times$ 10²¹; (d) 1,0 $\times$ 10⁻¹⁴

17.5 Rafhlöður og efnarafalar

(a) $\begin{aligned} \text{anode: Cu}(s)\, \longrightarrow \, {\text{Cu}}^{{2+}}(aq)+{\text{2e}}^{\text{−}}\, {E}_{{\text{anode}}}^{^{\circ}}=\text{0,34 V} \\ \text{cathode:}\, 2\, \times \, {({{{\text{Ag}}}^{\text{+}}(aq)+{\text{e}}^{\text{−}}\, \longrightarrow \, \text{Ag}(s)})}\, {E}_{{\text{cathode}}}^{^{\circ}}=\text{0,7996 V} \end{aligned};$ (b) 3,5 $\times$ 10¹⁵; (c) 5,6 $\times$ 10⁻⁹ M

Rafhlöður eru lokaðar einingar og hafa takmarkað magn hvarfefna til að nota áður en þær verða straumlausar. Einnig geta myndefni efnahvarfa í rafhlöðum safnast fyrir og truflað efnahvarfið. Þar sem efnarafli er stöðugt veitt nýjum hvarfefnum og myndefni eru fjarlægð getur hann haldið áfram að virka svo lengi sem hvarfefni eru til staðar.

Samkvæmt hraðafræðikenningunni verða efnahvörf hægari við lægra hitastig vegna minni tíðni árekstra milli hvarfefnasameinda. Hraði oxunar-afoxunarhvarfanna sem eiga sér stað í rafhlöðum minnkar með hitastigi, sem leiðir til minni framleiðslu á rafstraumi.

17.6 Tæring

Mg og Zn

Bæði dæmin fela í sér katóðuvörn. (Fórnar)anóðan er málmurinn sem tærist (oxast eða hvarfast). Þegar um er að ræða járn (−0,447 V) og sink (−0,7618 V) hefur sink neikvæðari staðalafoxunarspennu og þjónar því sem anóða. Þegar um er að ræða járn og kopar (0,34 V) hefur járn lægri staðalafoxunarspennu og tærist því (þjónar sem anóða).

Þótt afoxunarspenna litíums myndi gera það kleift að vernda hina málmana, gefur þessi háa spenna einnig til kynna hversu hvarfgjarnt litíum er; það myndi hvarfast sjálfkrafa við flest efni. Þetta þýðir að litíum myndi hvarfast hratt við önnur efni, jafnvel þau sem myndu ekki oxa málminn sem það er að reyna að vernda. Slík hvarfgirni þýðir að fórnaranóðan myndi tæmast hratt og þyrfti að skipta oft um hana. (Valfrjáls viðbótarástæða: eldhætta í návist vatns.)

17.7 Rafgreining

(a) $\begin{aligned} \text{massi Ca}=\text{69,1 g} \\ {\text{massi Cl}}_{2}=\text{122 g} \end{aligned};$ (b) $\begin{aligned} \text{massi Li}=\text{23,9 g} \\ {\text{massi H}}_{2}=\text{3,48 g} \end{aligned};$ (c) $\begin{aligned} \text{massi Al}=\text{31,0 g} \\ {\text{massi Cl}}_{2}=\text{122 g} \end{aligned};$ (d) $\begin{aligned} \text{massi Cr}=\text{59,8 g} \\ {\text{massi Br}}_{2}=\text{276 g} \end{aligned}$

0,79 L