Transcript Zn +2

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Chemia Ogólna

Wykład 6

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

ELEKTROCHEMIA

Każda reakcja redoks jest związana z przeniesieniem elektronu elektrony przechodzą od formy zredukowanej do formy utlenionej.

Re d

e

Pr odukt Ox

e

Pr odukt ( utlenienie ( redukcja ) )

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Jeśli procesy utleniania i redukcji zachodzą w tym samym czasie i miejscu – mamy do czynienia z

procesem chemicznym.

Jeśli procesy utleniania i redukcji są rozdzielone w czasie i przestrzeni, a wymiana ładunku następuje poprzez przewodnik elektronów(np. drut metalowy)– wówczas mówimy o procesie elektrochemicznym.

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Utlenianie żelaza (2+) jako: a) proces chemiczny, b) proces elektrochemiczny.

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Elektrody

Elektroda – powierzchnia metalu (lub innego przewodnika), na której zachodzi reakcja wymiany ładunku (utleniania, bądź redukcji).

elektroda

utlenianie

anoda

redukcja

katoda

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Elektrody I rodzaju

Pierwiastek w równowadze ze swoimi Elektrody te dzielimy na gazowe i metaliczne.

jonami.

Elektrody gazowe

Me│X│X n –przewodnik metaliczny (najczęściej platyna), obmywany gazową postacią pierwiastka, zanurzony w roztworze jonów danego pierwiastka.

X + ne lub X  X n+  X n + ne

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Normalna Elektroda Wodorowa(NEW)

Przewodnik elektronów (platyna pokryta czernią platynową) zanurzony w kwasie solnym (HCl) o aktywności a=1, nasycany gazowym wodorem (H 2 ) pod ciśnieniem 1 atm.

(p=1atm.=101 325 Pa).

E 0 = 0,000V

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Nasycona Elektroda Kalomelowa (NEK)

Przewodnik elektronów (Pt) połączony z metaliczną rtęcią kalomelem (Hg) – rtęci (I) nasyconym pokrytą chlorkiem (Hg 2 Cl 2 ) w roztworze (KCl).

E 0 = 0,241V

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Elektrody metaliczne

Me│Me n+ – metali zanurzony w roztworze jonów własnych Me  Me n+ + ne

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Elektrody II rodzaju

Metal pokryty swoją trudno rozpuszczalną solą w równowadze z roztworem soli innego metalu o takim samym anionie.

Me 1 │Me 1 A (s) │Me 2 A

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Szybkość reakcji elektrochemicznej

 O Ox  ne   R Re d  O ,  R – współczynniki stechiometryczne.

W stanie równowagi:  v   v Wiedząc, że: oraz: v  dc dt c  M m  v

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Szybkość reakcji można zdefiniować jako: v  dm dt Zgodnie z prawem Farday’a: m  k  I  t  m - masa substancji, k – równoważnik elektrochemiczny, I - prąd, t - czas, M - masa molowa, n – liczba wymienionych elektronów, F – stała Faraday’a(96 485 C/mol).

M  I n  F  t

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Łącząc poprzednie wzory otrzymujemy: v  dm dt  M  I n  F I  n  F M  v  I   I  I 0 Prąd anodowy jest równy prądowi katodowemu i osiąga wartość I 0 zwaną prądem wymiany.

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Wiedząć, że szybkość reakcji jest proporcjonalna do stężenia, to zaś jest powiązane z aktywnością wzorem: a  c  f Można zdefiniować prąd anodowy i katodowy jako:  I  I   n n   F F   k 0 k 0   a  O O e    nF ( E  E 0 ) RT ( 1   ) nF ( E  E 0 ) a  R R  e RT k 0 a  E O 0 – stała szybkości reakcji, ,a R – aktywności formy utlenionej i zredukowanej, - współczynnik symetrii bariery energetycznej, - potencjał normalny.

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Porównując do siebie prawe strony poprzednich równań otrzymany równanie Nernst’a : E  E 0  RT nF ln a a  O O  R R Potencjał normalny – potencjał elektrody mierzony względem NEW (normalnej elektrody wodorowej), której potencjał wynosi 0.

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Pomiar potencjału elektrodowego

Elektroda odniesienia – elektroda wykazująca potencjał niezmienny w czasie.

Najważniejsze elektrody odniesienia: • normalna elektroda wodorowa (NEW), • nasycona elektroda kalomelowa (NEK), • nasycona elektroda chlorosrebrna (Ag/AgCl/Cl – ).

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Szereg napięciowy

Szereg napięciowy

– metale wzrastającego potencjału normalnego.

ułożone wg

Potencjał

potencjał

normalny

metalu

elektrody

zanurzonego

metalowej

w – elektrolicie zawierającym jony tego metalu zmierzony względem NEW.

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Potencjały normalne niektórych metali w 25 o C

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Ogniwo

Ogniwo – dwie elektrody zanurzone w elektrolitach, połączone przewodnikiem elektrolitycznym.

elektronów i mostkiem Mostek (klucz) elektrolityczny jest to najczęściej U–rurka wypełniona neutralnym elektrolitem, pozwalającym na wymianę ładunku bez mieszania elektrolitów.

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Ogniwa ogniwa

galwaniczne

spontaniczna reakcja redoks w ogniwie powo duje przepływ prądu w obwodzie zewnętrznym

elektrolityczne

reakcja redoks w ogniwie jest wymuszana przez przepływ prądu z zewnę trznego źródła zasilania .

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Ogniwo Pt

H 2

H 2 O

O 2

Pt pracujące jako: a) ogniwo galwaniczne, b) ogniwo elektrolityczne.

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Ogniwa galwaniczne

A: Zn  Zn 2+ +2e K: Cu  2H + +2e  H 2 elektrolit cynk miedź

Stos Volty – pierwsza bateria (1880) Zn

H 2 SO 4

Cu

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej A: Zn  Zn 2+ +2e K: Cu 2+ +2e  Cu

Ogniwo Daniell’a Zn

ZnSO 4



CuSO 4

Cu

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Ładowanie: Rozładowanie:

A: Pb 2+ +2H 2 O  PbO 2 +4H + + 2e K: Pb 2+ +2e  Pb A: Pb  K: PbO 2 Pb 2+ +4H + +2e + 2e  Pb 2+ +2H

Akumulator ołowiowy Pb|PbO 2 | H 2 SO 4 , H 2 O|PbSO 4 |Pb

2 O

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Ładowanie: A:2Ni(OH) 2 +2OH  2NiOOH+2H 2 O+2e K: Cd(OH) 2 +2e  Cd+2OH Rozładowanie: A: Cd+2OH  Cd(OH) 2 +2e K: 2NiOOH+2H 2 O+2e  2Ni(OH) 2 +2OH -

Akumulatory niklowo–kadmowe Cd|Cd(OH) 2 |KOH, H 2 O|NiOOH|Ni

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

metalowa zatyczka pręt węglowy osłona cynkowa MnO 2 pasta NH 4 Cl metalowe dno

A: Zn  Zn 2+ +2e K: 2NH 4 + +2e  2NH 3 +H 2 H 2 +2MnO 2  Mn 2 O 3 +H 2 O 4NH 3 +Zn 2+  [Zn(NH 3 ) 4 ] 2+

Bateria cynkowo–węglowa – ogniwo Leclanche’go Zn|Zn +2 |NH 4 Cl|MnO 2 |C

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej

Elektroliza

Elektroliza

elektryczny z – proces powoduje zachodzenie utleniania i redukcji.

podczas zewnętrznego na którego źródła elektrodach prąd zasilania reakcji

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej A: 2O 2  O 2 +4e K: 4H + +4e  2H 2

Elektroliza wody w aparacie Hoffman’a

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej A: 2Cl  Cl 2 +2e K: 2H + +2e  H 2

Elektroliza wodnego roztworu NaCl.

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej A: 2Cl  Cl 2 +2e K: 2Na + +2e  2Na

Elektroliza stopionego NaCl.

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej A: 6O 2  3O 2 +12e C+O 2  CO 2 K: 4Al 3+ +12e  4Al

Elektrolityczne otrzymywanie aluminium

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej A: Ag  Ag + +e K: Ag + +e  Ag

Elektropolerowanie srebra