Transcript Лекција 10-Електрохемија

Електрохемија
Electrochemistry
Електрохемиски реакции
Електрохемиските реакции се
специфичен тип на хемиски реакции
во кои доаѓа до размена на
електрони помеѓу реактантите.
Електрохемиските реакции се
најголемата класа на хемиски реакции
во природата.
Electrochemistry
Електрохемиските реакции се во суштина
оксидо-редукциски (редокс) реакции
-потсети се што беше оксидација, а што редукција!!!
Оксидација-процес на
испуштање на електрони
Редукција-процес на
примање на електрони
Запамти:-Таму каде има оксидација,
МОРА да има и РЕДУКЦИЈА!
Ако има супстанца што исушта
електрони, МОРА да постои и друга
супстанца што ќе ги прими тие
електрони!!!
Electrochemistry
0
Супст. A
Испушта
електрони,
се оксидира
аe
редукциско
средство
Оксидација
супст. A
испушта 2
електрони и си
го зголемува
оксидацискиот
број
Редукција
супст. B
прима 2
електрони и го
Супст. B прима
намалува
електрони од
оксидацискиот
А, се редуцира
број
аe
0
2+
2-
оскидациско
средство
Electrochemistry
Оксидациски броеви и изедначување на
оксидо-редукциски реакции
при редокс реакциите
доаѓа до размена на
електрони. Вкупнит број
на примени и разменети
електрони во текот на
електрохемиската
реакција МОРА да е
идентичен.
За да знаеме кој реактант
испуштил, а кој примил
електрони, на почетокот
треба да ги напишеме
ОКСИДАЦИСКИТЕ Броеви
на учесниците во Electrochemistry
реакцијата
Оксидација и редукција
• Процесот на испуштање на електрони се
нарекува ОКСИДАЦИЈА.
 Во горната реакција, Цинкот губи 2 електрони и
преминува од неутрален цинк во метален
цинков катјон Zn2+ .
Electrochemistry
Оксидација и редукција
• Процесот на ПРИМАЊЕ на Електрони се
нарекува РЕДУКЦИЈА.
 Во горната реакција, секој еден H+ јон прима
електрони, при што со комбинација се добива
гас H2.
Electrochemistry
Примена на редокс реакциите во пракса
-Волтаични ќелииКога една оксидоредукциска реакција
се одвива спонтано,
доаѓа до трансфер на
електрони и притоа
се ослободува
енергија.
Electrochemistry
Волтаични ќелии
• Доколку можеме да ги
спроведеме тие
испуштени електрони
(да ги насочиме преку
спроводник), тогаш
можеме да ги
искористиме и од нив
да добиеме корисна
работа.
• Еден ваков сет-уп се
нарекува ВОЛТАИЧНА
ЌЕЛИЈА.
Electrochemistry
Волтаични ќелии
• Една волтаична ќелија
е слична на оваа
претставена на
сликата.
• Процесот на
оксидација се
случува на електрода
наречена АНОДА.
• Процесот на
редукција се случува
на ЕЛЕКТРОДА
наречена КАТОДА.
Electrochemistry
Волтаични ќелии
Преминувањето на
електрони од анодата
спрема катодата ќе
предизвика дисбаланс на
вкупниот полнеж во
садовите во кои се ставени
електродите, така што
преносот на електрони ќе
запре. Имено, така ќе се
наруши принципот на
електронеутралност на
растворите (овој принцип
вика дека бројот на
позитивни полнежи во еден
систем МОРА да е еднаков
на бројот на негативните
полнежи)
Electrochemistry
Волтаични ќелии
• Поради тоа се употребува
т.н. Електролитен мост
(обично е цевка со U-форма)
што содржи растворена сол
на некој електролит, чии јони
го балансираат полнежот во
садовите во кои се вронети
електродите и во кои се
случуваат реакциите на
редукција и оксидација.
• Катјоните од солта од
електролитниот мост се
движат спрема катодата
 Додека анјоните се
движат спрема анодата.
Electrochemistry
Волтаични ќелии
• При вакви услови во
ќелијата ќе дојде до
испуштање на
електрони од анодата
(процес на оксидација),
кои преку спроводник ќе
бидат пренесени во
катодата.
• Откако електроните ќе ја
напуштат анодата, на
анодата од неутралните
метални атоми се
формираат метални
катјони кои ќе се
растворат во одделот во
кој е вронета анодата.
Electrochemistry
Волтаични ќелии
• Кога електроните
испуштени од анодата
ќе стигнат до катодата,
тогаш катјоните
присутни во растворот
ќе бидат привлечени кон
катодата, која сега има
вишок негативен
полнеж.
• Овие електрони ќе
бидат предадени на
катјоните од растворот,
при што катјонот се
редуцира до неутрален
метал кој се депонира
на катодата.
Electrochemistry
Апликации
• Насоченото движење на електрони значи ПРОТОК
НА ЕЛЕКТРИЧНА СТРУЈА.
• 8H++MnO4-+ 5Fe+2 +5e Mn+2 + 5Fe+3 +4H2O
• Помага за раздвојување на редокс реакциите во
полуреакции.
• 8H++MnO4-+5e-  Mn+2 +4H2O
• 5(Fe+2  Fe+3 + e- )
• Овие две поуреакции може да се одвиваат и кога реактантите
се во еден раствор, но тогаш немаме добивање на корисна
работа, но кога овие две реакции се сепарирани, тогаш се
добива работа во форма на електрочна струја
Electrochemistry
• Ако имаме поврзување на ваков начин, реакцијата
ќе отпочне, НО,
• Ќе запре веднаш бидејќи доаѓа до акумулација на
полнеж и на дисбаланс на полнежите во садовите.
H+
MnO4-
Fe+2
Electrochemistry
Галванска Ќелија
Електролитниот
мост
овозможува
значи проток на
струја
H+
MnO4-
Fe+2
Electrochemistry
Многу
често, наместо електролитен мост
се употребува
Порозен
диск
H+
MnO4-
Fe+2
Electrochemistry
 Електроните
H+
MnO4-
патуваат во затворен круг
eFe+2
Electrochemistry
Електромоторна сила (Еmf)
• Водата спонтано тече
само во една насока
кога паѓа од водопад.
• Слично, електроните
спонтано течат само
во една насока при
редокс реакциите—од
повисока кон пониска
потенцијална
енергија.
Electrochemistry
e-
ee-
e-
Анода
eРедуцирачко
средтсво
Катода
eОксидирачко
средство
Запамти!!!: на анодата се одвива процес на ОКСИДАЦИЈА
Electrochemistry
на катодата се одвива процес на РЕДУКЦИЈА
Електроните секогаш течат од АНОДА спрема КАТОДА
Електромоторна сила(emf)
• Разликата во потенцијалите помеѓу
катодата и анодата се нарекува
електромоторна сила (англиски
electromotive force (emf).
• Се нарекува уште и електроден
потенцијал (cell potential)-Ecell.
Electrochemistry
Електроден потенцијал- Ecell
Се мери во волти volts (V).
J
1V=1
C
 = Ered (cathode) − Ered (anode)
Ecell
Electrochemistry
Електроден потенцијал
• За процесот на оксидација во ова ќелија,
Ered
 = −0.76 V
• За редукција,
Ered
 = +0.34 V
Electrochemistry
Електродни потенцијали
Ecell
 = Ered
 (катода) − Ered
 (анода)
= +0.34 V − (−0.76 V)
= +1.10 V
Electrochemistry
Оксиданси и редуценси
• Најсилните
оксидирачки средства
имаат најпозитивни
редукциски
потенцијали.
• Најсилните редукциски
средства имаат
најнегативни
редукциски
потенцијали
Electrochemistry
Оксидациски и редукциски средства
Колку е поголема
потенцијалната
разлика помеѓу
оксидациското и
редукциското
средство, толку е
поголема
електромоторната
сила на ќелијта.
Electrochemistry
Електромоторната сила најчесто се мери во систем во
кој едната електрода по конвенција има стандарден
Електроден потенцијал со некоја пропишана вредност
0.76
H2 in
Anode
Zn+2
SO4-2
1 M ZnSO4
Cathode
H+
Cl1 M HCl
Electrochemistry
Стандардна водородна електрода
• Е референтна
електрода, служи за
споредување на
вредностите на
измерените електродни
потенцијали
• Eº = 0-по конвенција!
• º означува стандардна
состојба на 25ºC,
при притисок од 1 atm,
и 1 M раствор.
H2 in
H+
Cl1 M HCl
Electrochemistry
Стандардна водородна електрода
• Вредностите на електродните потенцијали
обично се изразуваат во однос на
потенцијалот на стандардната водородна
електрода (SHE).
• По дефиниција, редукцискиот потенцијал
на SHE 0 V:
2 H+ (aq, 1M) + 2 e−  H2 (g, 1 atm)
Electrochemistry
Електроден потенцијал
• Zn(s) + Cu+2 (aq)  Zn+2(aq) + Cu(s)
• Вкупниот потенцијал во една ќелија е збир од
електродните потенцијали на секоја електрода.
• Eºcell = EºZn Zn+2 + EºCu+2 Cu
• Овие вредности обично ги земаме од табела.
• Една од реакциите мора да биде обратна од
тоа како е запишана во табелата, значи смени
го знакот!
• Ако ги знаеме вредностите на т.н. Стандардни
електрони потенцијали на дадени полуреакции,
можеме да предвидиме дали една редокс
реакција ќе се случи-еве како на следниот слајд
Electrochemistry
и од вежбите на табла!!!
Табела за стандардни редукциски потенцијали
Electrochemistry
Значење на Редукцискиот Потенцијал
• Колку Eº е понегативен, толку:
 Процесот на примање на електрони од страна на
оксидациското средство е полесен
 Полесно се одвива процесот на редукција
 Примателот на електрони е подобро оксидирачко
средство
• Колку Eº е попопзитивен, тогаш:
 Процесот на оддавање на електрони од страна
на редукциското средство е полесен
 Полесно се одвива процесот на оксидација
 Давателот на електрони е подобро редуцирачко
Electrochemistry
средство
ДА ЗАПАМТИМЕ
• Оксидирачкото средство прима електрони.
• Редуцирачкото средство испушта електрони.
• Овој потенцијал за примање или испуштање на
електрони е движечка сила (“driving force”) кај
електрохемиските реакции и се нарекува
електроден потенцијал Ecell
•
•
•
•
Се нарекува и електромоторна сила (emf)
Единица за Електроден потенцијал е 1 volt(V)
1 V = 1 joule/coulomb
Се мери со волтметар
Electrochemistry
Во галванската ќелија, електродата
што е извор на електрони за
компонентите од растворот се
нарекува __________; хемискиот
процес на оваа електрода се
нарекува________.
a. катода, оксидација
b. анода, редукција
c. анода, оксидација
d. катода, редукција
Electrochemistry
Потенцијал, Работа и DG
• emf = Потенцијал (V) = работа (J) / полнеж(C)
• E = работа извршена од системот/ полнеж
•
•
•
•
•
E = -w/q
полнежот се мери во coulombs.
-w = q E
q = nF = moles of e- x charge/mole eF = Faraday = 96,485 C/mol e-
• w = -qE = -nFE = DG
Electrochemistry
Потенцијал, Работа и DG
• DGº = -nFEº (се однесува на цела реакција
а не на полурекации!)
• ако Eº > 0, тогаш DGº < 0 ---спонтана
• ако Eº< 0, тогашDGº > 0 неспонтана
• Во овој случај, обратната реакција е
спонтана.
• Пресметај го DGº за следната реакција:
• Cu+2(aq)+ Fe(s) Cu(s)+ Fe+2(aq)
• Fe+2(aq) + 2e-Fe(s)
Eº = 0.44 V
• Cu+2(aq)+2e- Cu(s)
Eº = 0.34 V
Прво пресметај го потенцијалот на оваа
електрохемиска реакција
Electrochemistry
Нернстова равенка-е една од најбитните равенки во
електрохемијата. Нернстовата равенка ја дава
поврзаноста на електродниот потенцијал со концентрациите на
реактантите и продуктите и со константата на рамнотежа. Значи,
електродниот потенцијал е функција од концентрациите на редокс
сусптанците во растворот
Нернстовата равенка ја има следната форма:
Electrochemistry
Апликација на Електрохемијата
Батерии и галвански ќелии
• Акумулатори.
• Pb +PbO2 +H2SO4 PbSO4(s) +H2O
Electrochemistry
Батериите се Галвански ќелии
• Суви ќелии
Zn + NH4+ +MnO2 
Zn+2 + NH3 + H2O + Mn2O3
Electrochemistry
• Алкални ќелии
Zn +MnO2  ZnO+ Mn2O3 (in base)
Electrochemistry
Батериите се галвански ќелии
• NiCad
• NiO2 + Cd + 2H2O  Cd(OH)2 +Ni(OH)2
Electrochemistry
Корозија
• Рѓосување- спонтана оксидација.
• Голем број на металите имаат
редукциски потенцијал што е
понегативен од редукцискиот
потенцијал на O2 .
• Fe+2 +2e-  Fe
Eº= -0.44 V
• O2 + 2H2O + 4e- 4OH- Eº= 0.40 V
• Fe+2 + O2 + H2O Fe2O3 + H+
Electrochemistry
вода
Fe2+
Fe се раствора
Fe  Fe+2
рѓа
eO2 + 2H2O +4e-  4OH-
Fe2+ + O2 + 2H2O  Fe2O3 + 8 H+
Electrochemistry
Превенција од корозија
• Премачкување со слој од боја со цел да се
држат настрана водата и кислородот
(бојата е ОРГАНСКА ЛИПОФИЛНА
супстанца и водата бега од неа)
• Галванизација – се премачкува железото
со слој од цинк
• Цинкот има понегативен електроден
потенцијал, така што многу полесно ќе
биде оксидиран тој отколку железото.
• Легурирање-мешање со други метали кои
полесно се оксидираат од железото и тие
Electrochemistry
реагираат со О2 и прават оксиди
…Заштита од корозија
Electrochemistry
Електролиза
• Движење на галванската ќелија во
обратна насока.
• Нанеси потенцијал што е поголем од
потенцијалот на електрохемиската
ќелија при што ќе ја смениш насоката
на редокс реакцијата (реакцијата ќе
се одвива во обратна насока).
Electrochemistry
Значење на електрохемиските реакции
во клетките и биолошките системи
КАКО ШТО ЗНАЕМЕ,
клеточната мембрана е природна
што ја одделува внатрешноста
на клетката од околината.
Целиот трансфер на маса се одвива
преку оваа мембрана, а најголем дел
од соединенијата што се присутни
во нашиот организам се во форма на
ЈОНИ-наелектризирани честички
Electrochemistry
Трансферот на јони преку клеточната мембрана е СЕЛЕКТИВЕН,
а тоа доведува до појава на ЕЛЕКТРОДЕН ПОТЕНЦИЈАЛ
односно разлика во концентрација на јони од даден вид Electrochemistry
од двете страни на мембраната
Ion Concentrations in Mammalian Cells and Blood
Serum
Појавата на електроден
потенцијал на мембраните
од клетките влијае
врз процесите на трансфер
на јони низ мембраните
на клетките. Тој е
од огромна важност
за правилна функција на
клетките
Ion
Cytoplasm
(mM)
(Inside Cell)
Blood Serum
(mM)
(Outside Cell
K+
140
4
Na+
12
145
Cl-
4
116
HCO3-
12
29
net unbalanced
protein neg
138
charges
9
Mg+2
0.8
Electrochemistry
1.5
Ca+2
<0.0002
1.8
Electrochemistry
Процеси на
Добивање на
АТП во митохондриите.
Сите овие процеси
Се во суштина
РЕДОКС
Процеси
Т.е.
Поврзани
Со трансфер
на електреони
и протони
Electrochemistry
Друга важност на електрохемијата во биолошките системи е
Electrochemistry
продукцијата на АТП во митохондриите. Тоа се случува преку серија
од реакции во кои се разменуваат електрони помеѓу биолошки молекули
Electrochemistry
Electron transfer chain-Нобелова награда на Mitchel Electrochemistry
во 1974 год-систем што доведува до продукција на АТП!!
ТОА Е ТОА, ФАЛА ЗА ВНИМАНИЕТО
ЛАВОВИ МОИ МОРСКИ
И
...СЕКОЕ ДОБРО ВО ИДНИНА
Electrochemistry
Припишување на оксидациските
броеви-правила
1. Valentnosta na sekoj element vo slobodna (atomarna ) sostojba e
NULA
2. Koga e vo soedinenija, kislorodot ima (naj~esto) valentnost -2
3. Koga e svrzan vo soedinenija, vodorot ima (naj~esto) има valentnost
+1
4. Halogenite elementi koga se svrzani imaat valentnost od -1;
5. Koga se svrzani vo soedinenija, alkalnite metali (Na, K, Cs, imaat
valentnost +1, a zemnoalkalnite (Mg, Ca, Sr +2)
6. Pri izramnuvawe na redoks reakciite, najprvo gi pi{uvame valentnite
broevi na site reaktanti i produkti, i potoa gledame koi reaktantite si
gi promenile svoite valentnosti. Potoa pravime ednostavna
matemati~ka operacija so cel da vidime kolkav e brojot na ispu{teni i
primeni elektroni. Toa }e ne dovede do situacija kako polesno
matemati~ki da ja izramnime ravenkata.
Electrochemistry
Израмнување на оксидоредукциски реакции
Потсети се од курсот по Општа и
Неорганска хемија.
Electrochemistry
Метода на израмнување на оксидоредукциски реакции преку ПИШУВАЊЕ НА
ПОЛУРЕКАЦИИ е наједноставен
Реакција помеѓу MnO4− и C2O42− :
MnO4−(aq) + C2O42−(aq)  Mn2+(aq) + CO2(aq)
Electrochemistry
Полуреакции
Најпрво ги пишуваме оксидациските
броеви.
+7
+3
+2
+4
MnO4− + C2O42-  Mn2+ + CO2
Манганот од +7 преминува во +2, се редуцира.
С оди од +3 во +4, се оксидира.
Electrochemistry
Полуреакции
C2O42−  CO2
За да се изедначи јаглеродот,
додаваме коефициент 2 пред СО2:
C2O42−  2 CO2
Electrochemistry
Полуреакција на оксидација
C2O42−  2 CO2
Со ова и кислород е изедначен. За
да се изедначи полнежот, мора да
додадеме 2 електрони на десната
страна.
C2O42−  2 CO2 + 2 e−
Electrochemistry
Полуреакција на редукција
MnO4−  Mn2+
Маганот е изедначен. За да се
изедначи кислородот, мора да
додадеме 4 молекули на вода од
десната страна.
MnO4−  Mn2+ + 4 H2O
Electrochemistry
Полуреакција на редукција
MnO4−  Mn2+ + 4 H2O
Сега, за да се изедначи водородот,
мора да додадеме 8 H+ од левата
страна.
8 H+ + MnO4−  Mn2+ + 4 H2O
Electrochemistry
Полуреакции на редукција
8 H+ + MnO4−  Mn2+ + 4 H2O
За да се изедначи полнежпт,
додаваме 5 e− од левата страна.
5 e− + 8 H+ + MnO4−  Mn2+ + 4 H2O
Electrochemistry
Комбинација на двете
полурекации
Сега ги пишуваме заедно двете
полуреакции:
C2O42−  2 CO2 + 2 e−
5 e− + 8 H+ + MnO4−  Mn2+ + 4 H2O
За да имаме ист прој на електрони од
двете страни, мора сите коефициент
од лево да ги помножиме со 2, а одElectrochemistry
десно со 5.
Комибинирање на полуреакциите
5 C2O42−  10 CO2 + 10 e−
10 e− + 16 H+ + 2 MnO4−  2 Mn2+ + 8 H2O
Ако ги сумираме двете полуреакции
добиваме:
10 e− + 16 H+ + 2 MnO4− + 5 C2O42− 
2 Mn2+ + 8 H2O + 10 CO2 +10 e−
Electrochemistry
Комбинација на полуреакциите
10 e− + 16 H+ + 2 MnO4− + 5 C2O42− 
2 Mn2+ + 8 H2O + 10 CO2 +10 e−
16 H+ + 2 MnO4− + 5 C2O42− 
2 Mn2+ + 8 H2O + 10 CO2
Electrochemistry