Zwei Elektronen werden übertragen (Folien)

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Transcript Zwei Elektronen werden übertragen (Folien)

Cu
2
 2e


Cu

Kinetik: Mehrschrittreaktionen
Die meisten realen Elektrodenreaktionen bestehen aus mehreren einzelnen
Reaktionsschritten:




wenn adsorbierte Zwischenzustände eine Rolle spielen
wenn Phasenübergänge erfolgen (Keimbildung und
Kristallisation bei der Metallabscheidung)
immer, wenn mehr als ein Ion beteiligt ist:
2H

 2e


H
 2
immer wenn in der Bruttoreaktion mehr als ein Elektron
übertragen wird, denn es werden nur sehr selten mehrere
Elektronen simultan übertragen:
Cu
2
 2e


Cu

Cu
2
e


Cu


Cu
FU Berlin
Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

e


Cu

2013/2014
1
Cu
2
 2e


Cu

Mehrschrittreaktionen
Berühmte und technisch bedeutende Beispiele:
A. Wasserstoffentwicklung
1. Schritt (Volmer):
2. Schritt A
H
H ads  H

e


H
 2

e


H
 ads
oder B
H ads  H ads
(Heyrowsky)

H
 2
(Tafel)
B. Kupferabscheidung mit und ohne Halogenidionen
1. Schritt:
Cu
2. Schritt:
Cu
2

e
e



Cu



Cu

Cu
2
CuCl  e
Weg A
FU Berlin
Constanze Donner / Ludwig Pohlmann

 e  Cl



CuCl



Cu  Cl

Weg B
2013/2014
2
Cu
2
 2e


Cu

Prinzipien und Definitionen
 Sind mehrere Reaktionsschritte nötig, so kann es verschiedene
Reaktionswege geben:
Beispiel:
Weg 1:
Mn
2
Bruttoreaktion, n = 2
 Mn
3
e

Mn
Reaktionsschritt 1
Weg 2:
Mn
Mn
2
 Mn
3
e

2
 Mn
3
e

3
 Mn
4
e
Reaktionsschritt 2
2 Mn
2x Reaktionsschritt 1
3
 Mn
2
 Mn
4
Reaktionsschritt 3
Schritt
l - Anzahl e-
 - Weg 1
 - Weg 2
1
1
1
2
2
1
1
3
0
FU Berlin

Constanze Donner / Ludwig Pohlmann
1
2013/2014
 - stöchiometrische Zahl
l – Elektronen
pro Schritt
3
Cu
2
 2e

Prinzipien und Definitionen

Cu

Stöchiometrische Zahl  (eines Reaktionsschrittes):
Bestimmt, wie viel mal der Reaktionsschritt stattfinden muss, um einen
Reaktionsdurchsatz zu ermöglichen (Horiuti 1939).
l = 1: elektrochemischer Schritt, „E“
l = 0: chemischer Schritt, „C“
2
3

Weg 1: Mn  Mn  e
Mn
2
3

Weg 2: 2  Mn  Mn  e 
3
 Mn
2 Mn
3
4
e
 Mn
EE-Mechanismus

2
 Mn
4
EC-Mechanismus
Im stationären Zustand (dCi/dt = 0) ist die Brutto-Reaktionsrate v konstant:
v
v1
1

v2
2
 ... 
vk
k
 const .
und gleich den reduzierten Raten der Schritte
Die Kinetik von konsekutiven Reaktionsschritten
wird immer vom langsamsten Reaktionsschritt
bestimmt:
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 vi 

v  Min 

 i 
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Cu
2
 2e


Cu

Prinzipien und Definitionen
Geschwindigkeitsbestimmender Schritt (RDS: rate determining step):

der langsamste Schritt bei aufeinander folgenden Schritten

der schnellste Schritt bei parallelen Schritten
Stöchiometrische Zahl  (des RDS):
Bestimmt, wie viel mal der geschwindigkeitsbestimmende Schritt
stattfinden muss, um einen Reaktionsdurchsatz zu ermöglichen.
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Cu
2
 2e


Cu

Gleichgewichte: Cu-Abscheidung
Beispielreaktion:
Cu
(in saurer oder
neutraler Lösung)
2
e


Cu


(1)
Cu
Cu
e


Cu

E 20   0 . 520 V
E10   0 . 159 V
Bruttoreaktion:

2
 2e


Cu

(2)
Standardpotentiale
E 00   0 . 340 V
Wie verhalten sich die Gleichgewichtspotentiale zueinander?
Ist das Intermediat Cu+ stabil?
E 1  E 10


   E  RT ln Cu   RT ln Cu 
 
F
F
 Cu  
RT
RT
 E 




ln 
ln
Cu

ln Cu 

F
F
 Cu  
 Cu 2 

ln 

F
 Cu
RT
E 2  E 20 
RT
F
2

10

Nernst-Gleichungen

20
Zuerst Untersuchung der Standardbedingungen: die Logarithmen mit x sind 0 !
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Cu
2
 2e

Gleichgewichte: Cu

Cu

Cu
2
e


Cu


(1)
Cu

e


Cu

(2)
Cu
 2e


Cu

E 0  ?? E 00  ??
E 20   0 . 520 V
E10   0 . 159 V
2
Wie verhalten sich die Gleichgewichtspotentiale zueinander?
E
E 2  E 20 
E20
RT
F
0
ln([Cu+]eq)


E 00   0 . 340 V
E00
E10

ln Cu
E 1  E 10 
RT

ln Cu
F


ln([Cu+])
beide Nernstpotentiale müssen gleich groß sein!
 bleibt nur der Schnittpunkt
E1  E 2   
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Cu
2
 2e

Gleichgewichte: Cu

Cu

Cu
2
e


Cu


(1)
Cu

e


Cu

(2)
Cu
 2e


Cu

E 0  ?? E 00  ??
E 20   0 . 520 V
E10   0 . 159 V
2
da die Anstiege beider Geraden betragsmäßig gleich sind – RT/F – treffen
sich beide Geraden genau auf halber Höhe, d.h. es gilt (da [Cu2+] =1):
E 00 
E 10  E 20
für das Standardpotential der Bruttoreaktion
2
E 00  0 . 159  0 . 520

2   0 . 340 V
ganz allgemein gilt für [Cu2+] ≠1 : zur E1-Kurve wird noch ln([Cu2+]) addiert:
E 0  E 00 
RT
2F

ln Cu
2

für das Nernstpotential der Bruttoreaktion
 das ist aber genau die Gleichung, welche man auch direkt aus der
Bruttoreaktion ableiten kann (n = 2)!
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Cu
2
 2e

Gleichgewichte: Cu

Cu

Cu
2
e


Cu


(1)
Cu

e


Cu

(2)
Cu
 2e


Cu

E 0  ?? E 00  ??
E 20   0 . 520 V
E10   0 . 159 V
2
Ist das Intermediat Cu+ stabil?
E 2  E 20 
RT

ln Cu
F



mit:
Cu 

eq
d.h. da E20 > E10 gilt:

E 00 
E 10  E 20
Cu  exp  
2
F
2

Cu 

eq

2 RT
 Cu
2
Molenbrüche, bzw.
 E 20


 E 10  

dimensionslose
Konzentrationen!
 Cu+ ist instabil
 (1) ist der RDS
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Cu
2
 2e


Cu

Gleichgewichte: Cu / Halogenid
Beispielreaktion:
Cu
2

 e  Cl
Standardpotentiale:


CuCl

E 1  E 10


 Cu 2  Cl 

ln 
F
 CuCl 
E 2  E 20 
 CuCl 
ln 

F
 Cu  Cl
RT
CuCl  e


   E


Cu
10




Cu  Cl

(2)
E 20   0 . 137 V
E10   0 . 537 V
Bruttoreaktion:
RT
(1)
2
RT
F
 2e

ln  Cu


Cu

2

RT
ln CuCl
  E 20 
F

E 00   0 . 340 V
  RT ln Cl   RT

F
 
RT
F
F

ln Cu
ln CuCl

  RT ln Cl 

F
unter Standardbedingungen: die Logarithmen mit x sind 0 !
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Cu
2
 2e


Cu

Gleichgewichte: Cu / Halogenid
Beispielreaktion:
Cu
Standardpotentiale:
2

 e  Cl


CuCl

(1)
CuCl  e
E 2  E 20 
E10


Cu  Cl

RT
F
ln CuCl
E 1  E 10 
0
ln([Cu+]eq)
FU Berlin

E 00   0 . 340 V
E00
E20
(2)
E 20   0 . 137 V
E10   0 . 537 V
E

RT
F
ln CuCl

ln([Cu+])
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Cu
2
 2e

Gleichgewichte: Cu / Halogenid

Cu

Beispielreaktion:
Cu
Standardpotentiale:
2

 e  Cl


CuCl

(1)
CuCl  e



Cu  Cl

(2)
E 20   0 . 137 V
E10   0 . 537 V
auch hier gilt:
E 00 
E 10  E 20
für das Standardpotential der Bruttoreaktion
2
E 00  0 . 537  0 . 137

2   0 . 337 V
und:
E 0  E 00 
RT
2F
FU Berlin

ln Cu
2

für das Nernstpotential der Bruttoreaktion
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Cu
2
 2e


Cu

Gleichgewichte: Cu / Halogenid
Beispielreaktion:
Cu
Standardpotentiale:
2

 e  Cl


CuCl

(1)
CuCl  e



Cu  Cl

E 20   0 . 137 V
E10   0 . 537 V
Ist das Intermediat CuCl stabil?

CuCl eq
d.h. da E20 < E10 gilt:

(2)
Molenbrüche, bzw.
Cu   Cl exp  
2

CuCl eq
F


 Cu
2
2 RT

 E 20

 E 10  

dimensionslose
Konzentrationen!
 CuCl ist stabil
 (2) ist der RDS
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Cu
2
 2e


Cu

Gleichgewichte:
oxidierte Form
+ z e−
⇌ reduzierte
Form
Standardpotential
E°
Gold (Au)
Au+
+ e−
⇌ Au
+1,69 V[1]
Gold (Au)
Au3+
+ 3 e−
⇌ Au
+1,50 V[1]
Gold (Au)
Au2+
+ 2 e−
⇌ Au
+1,40 V
Eisen (Fe) Fe3+
+ e−
⇌ Fe2+
+0,77 V
Eisen (Fe) Fe3+
+ 3 e−
⇌ Fe
−0,04 V
Eisen (Fe) Fe2+
+ 2 e−
⇌ Fe
−0,41 V
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2
 2e

2-Schritt-Kinetik

Cu

Butler-Volmer-Kurven für beide Reaktionsschritte unter Standardbedingungen:
Die Reaktionen seien formal entkoppelt, alle Konzentrationen sind gleich 1:
E20
Intermediat:
Cu 

eq
E10
40
1
20
S trom dichte
Cu
0
0
20
40
10
8
6
4
2
0
2
4
6
Potential
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Cu
2
 2e


Cu

2-Schritt-Kinetik
Butler-Volmer-Kurven für beide Reaktionsschritte unter Realbedingungen:
Die Reaktionen sind über das Intermediat gekoppelt:
Cu 

eq
FU Berlin
1
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Cu 

eq
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 0 .1
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Cu
2
 2e


Cu

2-Schritt-Kinetik
Die Reaktionen sind über das Intermediat gekoppelt  beide einzelne ButlerVolmer-Kurven verschmelzen zu einer Kurve, wenn das Intermediat die
Gleichgewichts- bzw. die stationäre Konzentration annimmt:
Cu 

eq

 Cu
2

1
2
F

exp  
 2 RT
 E 20

 E 10  

Andernfalls wäre i1 ≠ i2
und der Zustand
nicht stationär!
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Cu
2
 2e


Cu

2-Schritt-Kinetik
Die exakte Lösungskurve der Bruttoreaktion stimmt aber nicht mit einer formal
angesetzten Butler-Volmer-Kurve der Bruttoreaktion überein – nur im
Gleichgewichtspunkt!
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Cu
2
 2e


Cu

2-Schritt-Kinetik
Näherungsweise kann man die 2-Schritt-Kinetik durch eine Quasi-Butler-VolmerGleichung beschreiben:

  nF  
  2 nF 
i  i0  exp  1
  exp  
RT
 RT 





Im Unterschied zur BV-Gl. fehlt hier die Symmetrie der Transferkoeffizienten,
d.h. β1 + β2 ≠ 1 ergibt nicht mehr 1, die Anstiege der anodischen und
kathodischen Tafelgeraden sind nicht mehr betragsmäßig gleich!
Statt dessen gilt:
1   2 
n

und
i 0 
n

i0
 - stöchiometrische
Zahl des RDS
Voraussetzung dafür: die anderen, schnelleren Reaktionsschritte befinden
sich im Quasi-Gleichgewicht (Bockris)
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Cu
2
 2e

2-Schritt-Kinetik

Cu

1   2 
n

und
i0 
n

i0
am Beispiel der Wasserstoffentwicklung
Volmer-Tafel 1:


H  e  H ads
(Volmer) (limitierend)
H ads  H ads  H 2
(Tafel)
n = 2,  = 2  n /  = 1
Volmer-Tafel 2:


H  e  H ads
(Volmer)
H ads  H ads  H 2
(Tafel) (limitierend)
n = 2,  = 1 n /  = 2
Volmer-Heyrowsky:
H ads  H

e


H
 2
(Heyrowsky)
n = 2,  = 1 n /  = 2
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Cu
2
 2e


Cu

2-Schritt-Kinetik: Grenzfälle
Generell kann man bei einer Zweischrittreaktion folgende Grenzfälle systematisch
ableiten (nach Bagotsky 2006): A  B  C
Es liege ein stationärer Zustand vor (konstante Reaktionsgeschwindigkeiten) und
die Konzentrationen von Edukt und Produkt, A und C, seien fixiert.
Dann sind auch die beiden Reaktionsgeschwindigkeiten der Teilreaktionen gleich:
v1  k 1 A  k  1 B  v 2  k 2 B  k  2 C  v
Daraus folgt die stationäre Konzentration des Intermediates B:
B 
k1 A  k  2 C
k 1  k 2
und die stationäre Reaktionsgeschwindigkeit:
v
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k 1 k 2 A  k 1 k  2 C
k 1  k 2
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Cu
2
 2e


Cu

2-Schritt-Kinetik: Grenzfälle
Grenzfälle: werden entscheidend durch das Verhältnis der Konstanten
k 1  k 2 (1) oder k 1  k 2 ( 2 ) bestimmt!
Fall (1) ->
v  k1 A 
k 1 k  2 C
k2
 k 1 A  k 1 K 2 C  k 1 A  k 1 B equ
(2)
 1. Schritt ist der RDS, 2. Schritt ist ein nachgelagertes GG
Fall (2) ->
v
k1 k 2 A
k 1
 k  2 C  k 2 K 1 A  k  2 C  k 2 B eq  k  2 C
(1 )
 2. Schritt ist der RDS, der 1. Schritt ist ein vorgelagertes GG
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Cu
2
 2e


Cu

2-Schritt-Kinetik: Grenzfälle
Unterschied zwischen chemischer und elektrochemischer Kinetik: in der EC sind
die Geschwindigkeitskonstanten nicht konstant, sondern stark
potentialabhängig: wenn die Reduktion von links nach rechts abläuft, so ist:
k1  k10 exp(  (1   1 ) fE )
k 1  k 10 exp(  1 fE )
k 2  k 20 exp(  (1   2 ) fE ) k  2  k  20 exp(  2 fE )
f 
F
RT
Im Gegensatz zur chemischen Kinetik sind hier die Ungleichungen (1) bzw. (2)
potentialabhängig, d.h. (1) kann in (2) umschlagen oder umgekehrt!
k  1  k 2 (1) 
k 10 exp(  1 fE )  k 20 exp(  (1   2 ) fE )
 Es existiert ein Potential des Mechanismuswechsels!
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Cu
2
 2e


Cu

2-Schritt-Kinetik: Grenzfälle
Potential des Mechanismuswechsels:
E CM 
1
RT
1  1   2 F
ln(
k 20
)
k 10
Dabei ist i. allg. ECM vom Gleichgewichtspotential verschieden!
Generell gilt: stark kathodische Potentiale  Ungleichung (1) gilt (Mk)
i1  Fk 10 exp(  (1   1 ) fE ) A
stark anodische Potentiale  Ungleichung (2) gilt (Ma)
i 2  Fk  20 exp(  2 fE ) C
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Cu
2
 2e


Cu

2-Schritt-Kinetik: Grenzfälle
Außerdem gibt es einen Bereich zwischen ECM und E0, in welchem ein dritter,
intermediärer Mechanismus ablaufen kann (Mi):
Es lassen sich zwei Unter-Fälle unterscheiden: ECM ist im kathodischen oder im
anodischen Bereich:
ECM < E0: kathodisch: die Ungleichung schlägt beim Überschreiten von ECM
um in:
k 10 exp(  1 fE )  k 20 exp(  (1   2 ) fE )
Und damit:
i
F

k1k 2 A
k 1
 k 2C 
Fall 2
k1k 2 A

k 10 k 20 exp(  ( 2   1   2 ) fE )
k 10 exp(  1 fE )
k 1

k 10 k 20
k 10
FU Berlin
A
exp(  ( 2   2 ) fE ) A
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2013/2014
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Cu
2
 2e


Cu

2-Schritt-Kinetik: Grenzfälle
ECM > E0: anodisch: die Ungleichung schlägt beim Unterschreiten von ECM um
in:
k 10 exp(  1 fE )  k 20 exp(  (1   2 ) fE )
Und damit:
v  k1 A 
Fall 1
k 1 k  2 C

k2
k2
i

F
i
F
FU Berlin
k 1 k  2 C

k 10 exp(  1 fE ) k  20 exp(  2 fE )
k 20 exp(  (1   2 ) fE )
k 10 k  20
k 20
C
exp(( 1   1 ) fE ) C
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Cu
2
 2e


Cu

2-Schritt-Kinetik: Grenzfälle
Beispiel für den Mechanismuswechsel im kathodischen Bereich:
Parameter:
k2 / k1 = 100
E0 = 0
ECM = -4.6
FU Berlin
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