Natriumproduksjon ved smelteelektrolyse og kolorimetrisk analyse av spytt

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Alkalimetallet natrium kan, i likhet med litium, brukes i batterier.

Natrium framstilles ved elektrolyse fra en blanding av smeltet natriumklorid, $N a C l (l)$ , og kalsiumklorid, $C a C l_{2} (l)$ . Figur 1 viser elektrolysekaret. Denne blandingen har lavere smeltepunkt enn rent natriumklorid, og tilsettingen av kalsiumklorid gjør elektrolysen sikrere.

Figur 1: Elektrolysekar med smeltet saltblanding, elektrode av grafitt i midten, elektroder av rustfritt stål, skillevegg av stål, utløp for klorgass og utløp for smeltet natrium

For hånd

Skriv halvreaksjonen som skjer ved elektroden av grafitt.
Avgjør om elektroden er anode eller katode. b) Beregn minste teoretiske spenning som skal til for at reaksjonen i elektrolysekaret skal finne sted. c) Beregn strømstyrken som minst trengs for å produsere $50 g$ natrium i løpet av 5 timer. d) Vurder om det er mulig å framstille natriummetall fra
en vannløsning natriumklorid, $N a C l (a q)$ .
smeltet natriumhydroksid, $N a O H (l)$ . e) Natrium finnes i form av natriumioner overalt i naturen og er en viktig elektrolytt i kroppen vår. Konsentrasjonen av natrium i kroppsvæsker kan enkelt måles ved kolorimetrisk analyse. I et forskningsprosjekt ble innholdet av natrium i spytt målt. Først ble det laget en standardkurve. Til dette ble det benyttet en standardløsning av $N a C l (a q)$ med konsentrasjon $0,0075 m o l / L$ .
Regn ut resten av tallene i tabell 1, og tegn standardkurven.
Anta at spyttprøven inneholder ca. $150 m m o l$ $N a^{+}$ per liter. Forklar hvorfor prøven må fortynnes til denne analysen.

Tabell 1:

Standard nr.	mL standardløsning med $N a^{+}$	mL fargestoff og bufferløsning	Målt absorbans
1	0	120	0
2	6	114	0,31
3	12	108	0,54
4	18	102	0,73
5	24	96	0,96
6	30	90	1,13

Fasit

$2 C l^{-} \to C l_{2} (g) + 2 e^{-}$ . Grafittelektroden er anode.

$U_{min} = 4,07 V$

$I = 11,7 A$

$N a C l (a q)$ : ikke mulig, vann reduseres til $H_{2}$ i stedet. $N a O H (l)$ : mulig, $N a^{+}$ reduseres til natrium ved katoden.

Stoffmengde $N a^{+}$ : $0$ , $4,5 \cdot 10^{- 5}$ , $9,0 \cdot 10^{- 5}$ , $1,35 \cdot 10^{- 4}$ , $1,80 \cdot 10^{- 4}$ og $2,25 \cdot 10^{- 4} m o l$ . Spyttet er 20 ganger mer konsentrert enn standardløsningen og gir en absorbans langt utenfor standardkurven.

LøsningsforslagKI-generert

Klorgassen ledes ut rett over grafittelektroden. Kloridioner blir altså oksidert der:

2 C l^{-} (l) \to C l_{2} (g) + 2 e^{-}

Oksidasjon skjer ved anoden. Grafittelektroden er derfor anode. Natrium dannes ved stålelektrodene, som er katoder.

Ved katoden reduseres natriumioner, og ved anoden oksideres kloridioner:

\begin{matrix} Katode: & N a^{+} + e^{-} \to N a E^{\circ} = - 2,71 V \\ Anode: & 2 C l^{-} \to C l_{2} + 2 e^{-} E^{\circ} = 1,36 V \end{matrix}

Totalreaksjonen er

2 N a C l (l) \to 2 N a (l) + C l_{2} (g)

Den ytre spenningen må minst oppveie cellespenningen for den spontane motreaksjonen:

U_{min} = E^{\circ} (C l_{2} / C l^{-}) - E^{\circ} (N a^{+} / N a) = 1,36 V - (- 2,71 V) = 4,07 V

$C a^{2 +}$ ( $E^{\circ} = - 2,87 V$ ) er et svakere oksidasjonsmiddel enn $N a^{+}$ , så det er natrium som dannes. Tabellverdiene gjelder vannløsning ved $25 ° C$ , så svaret er et teoretisk overslag for smelten.

n (Na) = \frac{50 g}{22,99 g / m o l} = 2,175 m o l

Hvert natriumion tar opp ett elektron, så $n (e^{-}) = 2,175 m o l$ . Ladningen som trengs, er

Q = n (e^{-}) \cdot F = 2,175 m o l \cdot 96485 C / m o l = 2,098 \cdot 10^{5} C

Tiden er $t = 5 \cdot 3600 s = 18000 s$ . Strømstyrken blir

I = \frac{Q}{t} = \frac{2,098 \cdot 10^{5} C}{18000 s} = 11,7 A

Vannløsning av $NaCl$ . Ved katoden konkurrerer $N a^{+}$ og vann om elektronene:

\begin{matrix} N a^{+} + e^{-} \to N a & E^{\circ} = - 2,71 V \\ 2 H_{2} O + 2 e^{-} \to H_{2} + 2 O H^{-} & E^{\circ} = - 0,83 V \end{matrix}

Vann har høyest reduksjonspotensial og reduseres først. Det dannes hydrogengass, ikke natrium. Natrium ville dessuten reagert straks med vannet. Det er ikke mulig å framstille natrium fra $N a C l (a q)$ .

Smeltet $NaOH$ . Smelten inneholder bare $N a^{+}$ og $O H^{-}$ , og ikke vann. Da er $N a^{+}$ det eneste som kan reduseres:

\begin{matrix} Katode: & N a^{+} + e^{-} \to N a \\ Anode: & 4 O H^{-} \to O_{2} + 2 H_{2} O + 4 e^{-} \end{matrix}

Det er mulig å framstille natrium fra $N a O H (l)$ . Minste spenning blir $0,40 V - (- 2,71 V) = 3,11 V$ . Vannet som dannes ved anoden, må holdes borte fra natriumet.

Stoffmengden natriumioner i hver standard er $n = c \cdot V$ med $c = 0,0075 m o l / L$ . For standard 2:

n (N a^{+}) = 0,0075 m o l / L \cdot 0,006 L = 4,5 \cdot 10^{- 5} m o l

Tabell 2:

Standard nr.	mL standardløsning	Mol $N a^{+}$ i prøven	Målt absorbans
1	0	$0$	0
2	6	$4,5 \cdot 10^{- 5}$	0,31
3	12	$9,0 \cdot 10^{- 5}$	0,54
4	18	$1,35 \cdot 10^{- 4}$	0,73
5	24	$1,80 \cdot 10^{- 4}$	0,96
6	30	$2,25 \cdot 10^{- 4}$	1,13

Standardkurven har absorbans på $y$ -aksen og stoffmengde $N a^{+}$ på $x$ -aksen. De laveste punktene ligger nær en rett linje, men kurven avviker merkbart fra Beers lov ved høy absorbans. Forholdet mellom absorbans og stoffmengde synker jevnt fra $6,9 \cdot 10^{3}$ for standard 2 til $5,0 \cdot 10^{3} m o l^{- 1}$ for standard 6. Avlesning øverst på kurven blir derfor mindre nøyaktig.

Standardkurve: målt absorbans mot stoffmengde natriumioner i standardløsningene

Standardkurven gjelder bare mellom $0$ og $2,25 \cdot 10^{- 4} m o l$ , altså opp til absorbans $1,13$ .

Spyttet inneholder $150 m m o l / L$ . Det er 20 ganger så mye som standardløsningen ( $7,5 m m o l / L$ ). Tar vi for eksempel $30 m L$ spytt, blir stoffmengden

n (N a^{+}) = 0,150 m o l / L \cdot 0,030 L = 4,5 \cdot 10^{- 3} m o l

Det er 20 ganger mer enn i den sterkeste standarden. Absorbansen havner langt over kurven, og vi kan ikke lese av konsentrasjonen. Kurven flater dessuten ut, så en forlengelse av den blir upålitelig. Spyttet må fortynnes, for eksempel 40 ganger til $3,75 m m o l / L$ . Da havner prøven midt i standardkurven.

Vedlegg

Vedleggene i oppgavesettet til Kjemi 2 V2022. De kunne brukes på hele eksamen, også del 1 (om hjelpemidlene).

Åpne på egen side: Tabeller og formler i kjemi

Oppgavedata

Hentet fra: Kjemi 2 V2022, del 2, oppgave 5
Del: Del 2, alle hjelpemidler — les om hjelpemidler
Hjelpemidler: Kalkulator
CAS
Graftegner og regneark
Lærebok, formelsamling og egne notater
Ikke åpent internett, kommunikasjon med andre eller kunstig intelligens.
Kategori: 2
Vanskegrad: 2
Temaer: Elektrolyse, Redoksreaksjoner, Spenningsrekka, Støkiometri

Natriumproduksjon ved smelteelektrolyse og kolorimetrisk analyse av spytt

Innstillinger

Utseende

Oppgaver og visning

Utskrift

Synkronisering

Sync på tvers av enheter

Natriumproduksjon ved smelteelektrolyse og kolorimetrisk analyse av spytt

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Forstå oppgaven med en KI

Tastatursnarveier

Navigasjon

I oppgave

Natriumproduksjon ved smelteelektrolyse og kolorimetrisk analyse av spytt

Natriumproduksjon ved smelteelektrolyse og kolorimetrisk analyse av spytt

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Temaer