Cara menerangkan elektrolisis kuprum(II) sulfat

Larutan kuprum(II) sulfat ialah salah satu contoh elektrolisis paling kerap diuji dalam SPM, dan ia digemari atas sebab yang baik: larutan yang sama memberi keputusan yang benar-benar berbeza bergantung pada sama ada anda guna elektrod karbon atau kuprum. Fahami sebabnya, dan anda faham keseluruhan logik penyahcasan terpilih dalam keseimbangan redoks. Panduan ini menelusuri kedua-dua kes dengan setengah persamaan yang betul, pemerhatian yang anda mesti boleh nyatakan, dan penaakulan yang memperoleh markah.

Pertama, senaraikan ion yang hadir

Sebelum menyentuh mana-mana elektrod, sentiasa mulakan dengan menyenaraikan setiap ion dalam larutan. Larutan kuprum(II) sulfat mengandungi ion daripada dua sumber:

• Daripada garam CuSO₄: ion kuprum(II), Cu²⁺, dan ion sulfat, SO₄²⁻.
• Daripada air itu sendiri: ion hidrogen, H⁺, dan ion hidroksida, OH⁻.

Jadi empat ion bergerak: dua positif (Cu²⁺ dan H⁺) menghanyut ke katod, dan dua negatif (SO₄²⁻ dan OH⁻) menghanyut ke anod. Pada setiap elektrod, hanya satu ion disahcas, dan menentukan yang mana itulah keseluruhan kemahirannya.

Kes 1: elektrod karbon (lengai)

Elektrod karbon tidak mengambil bahagian dalam tindak balas, ia lengai, jadi ion itu sendiri yang disahcas.

Di katod (elektrod negatif): Cu²⁺ dan H⁺ kedua-duanya tiba. Penyahcasan terpilih memihak ion logam yang lebih rendah dalam siri elektrokimia, kuprum di bawah hidrogen, jadi Cu²⁺ disahcas keutamaan berbanding H⁺. Ion kuprum menerima elektron dan diturunkan kepada logam kuprum, yang termendap sebagai pepejal merah jambu/perang pada elektrod:

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

Di anod (elektrod positif): SO₄²⁻ dan OH⁻ kedua-duanya tiba. Sulfat tidak disahcas; ion hidroksida disahcas sebaliknya, membebaskan gas oksigen (gas tak berwarna, menyalakan semula kayu uji berbara):

4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻

Apa yang berlaku pada larutan: ion kuprum dikeluarkan di katod manakala ion hidroksida dikeluarkan di anod. Kepekatan Cu²⁺ jatuh, jadi warna biru larutan pudar. Sementara itu H⁺ dan SO₄²⁻ ditinggalkan, jadi larutan pada dasarnya menjadi asid sulfurik cair dan menjadi lebih berasid. Inilah tepat pemerhatian yang direkodkan dalam eksperimen elektrolisis kuprum(II) sulfat.

Kes 2: elektrod kuprum

Kini ulang elektrolisis menggunakan dua elektrod kuprum. Katod berkelakuan sama, Cu²⁺ disahcas dan kuprum termendap, tetapi anod berkelakuan benar-benar berbeza, dan perbezaan itulah tujuan soalan.

Di anod (elektrod positif): anod kuprum bukan lengai. Daripada menyahcas mana-mana ion dari larutan, logam kuprum anod itu sendiri larut, membebaskan ion Cu²⁺ ke dalam larutan dan melepaskan elektron:

Cu → Cu²⁺ + 2e⁻

Di katod (elektrod negatif): penurunan yang sama seperti sebelumnya:

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

Apa yang berlaku keseluruhan: kuprum larut dari anod dan termendap pada katod, jadi anod hilang jisim dan katod bertambah jisim dengan amaun yang sama. Kuprum pada dasarnya dipindahkan dari satu elektrod ke yang lain. Kerana setiap Cu²⁺ yang dikeluarkan di katod digantikan oleh satu yang dibebaskan di anod, kepekatan Cu²⁺ kekal malar dan warna biru tidak berubah. Inilah prinsip di sebalik penulenan kuprum dan penyaduran sesuatu objek dengan kuprum.

Satu perbandingan yang dimahukan pemeriksa

Keseluruhan topik ini terhasil kepada satu kontras yang anda patut sedia nyatakan dalam satu ayat:

• Dengan elektrod karbon (lengai), anod membebaskan oksigen, warna biru pudar, dan larutan menjadi berasid.
• Dengan elektrod kuprum (aktif), anod larut, warna biru kekal sama, dan kuprum dipindahkan dari anod ke katod.

Tindak balas katod adalah sama dalam kedua-duanya; hanya anod berbeza, kerana anod kuprum aktif menawarkan tindak balas yang lebih mudah, atomnya sendiri larut, berbanding menyahcas hidroksida.

Faktor di sebalik penyahcasan terpilih

Jika soalan mengubah keadaan, tiga faktor menentukan ion mana disahcas:

1. Kedudukan dalam siri elektrokimia, faktor utama. Di katod, ion logam yang kurang elektropositif (lebih rendah dalam siri) disahcas; di anod lengai, ion lebih rendah dalam tertib penyahcasan anion (halida dan hidroksida disahcas keutamaan berbanding sulfat).
2. Kepekatan, kepekatan ion yang sangat tinggi boleh membawa kepada penyahcasannya walaupun siri biasanya tidak memihaknya (seperti larutan klorida pekat).
3. Jenis elektrod, elektrod aktif seperti kuprum boleh larut dan bukannya ion disahcas, yang tepat berubah di anod di sini.

Kesilapan lazim yang perlu dielakkan

• Menulis tanda elektrod yang salah. Penurunan (menerima elektron) berlaku di katod, elektrod negatif; pengoksidaan di anod.
• Menyahcas sulfat. SO₄²⁻ tidak disahcas dalam keadaan ini, ia kekal dalam larutan.
• Mengatakan warna biru pudar dengan elektrod kuprum. Ia tidak, Cu²⁺ diisi semula dari anod.
• Setengah persamaan tak seimbang. Elektron dan cas mesti seimbang: 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻, bukan versi yang lebih kasar.

Menyatukannya

Kuprum(II) sulfat menghargai rutin yang jelas: senaraikan ion, tentukan penyahcasan di setiap elektrod, tulis setengah persamaan seimbang, kemudian nyatakan pemerhatian. Buat itu dua kali, sekali untuk karbon dan sekali untuk kuprum, dan anda ada jawapan penuh, termasuk mengapa satu larutan biru pudar dan yang satu lagi tidak. Anda boleh membandingkannya dengan sel lain dalam elektrolisis larutan akueus. Jika setengah persamaan atau perbezaan lengai lawan aktif terus mengelirukan anda, guru boleh meluruskannya dengan pantas. Kelas dalam talian satu-ke-satu kami berjalan dalam bahasa Inggeris dari RM50 sejam, dengan sesi percubaan satu jam berbayar.