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