ELEKTROCHEMIA.pdf
(
234 KB
)
Pobierz
Microsoft Word - Chemia 10
4.18. ELEKTROCHEMIA
•
Przewodnictwo elektryczne metali i elektrolitów
•
Elektroliza
•
Ogniwa galwaniczne
•
Potencjały elektrodowe
•
Spontaniczność reakcji utleniania i redukcji
•
Stałe równowagi a potencjały elektrodowe
•
Równanie Nernsta
4.18.1. ELEKTROCHEMIA
Elektrochemia zajmuje się współzależnością zjawisk elektrycznych i chemicznych, a zwłaszcza przemianą energii
reakcji chemicznych w energie elektryczna i odwrotnie, czyli procesami przebiegającymi podczas pracy ogniw
galwanicznych i elektrolizy.
Przykład samorzutnego procesu utleniająco-redukcyjnego:
Zn + Cu
2+
= Zn
2+
+ Cu
Cu
2+
+ 2e ⎯> Cu
Zn ⎯> Zn
2+
+ 2e
Anoda
Katoda
(-)
(+)
Zn
Klucz elektrolityczny
Cu
Zn ⎯> Zn
2+
+
2e
Cu
2+
+ 2e ⎯>
Cu
Ogniwo galwaniczne
Katoda
- elektroda, na której odbywa się redukcja
Anoda
– elektroda na której zachodzi utlenianie
Zn
Zn
2+
+
2+
Cu
Anoda
Katoda
NO
3
-
NO
3
-
NO
3
-
Schemat przepływu jonów w ogniwie galwanicznym
Diagram ogniwa: Zn⏐Zn
2+
(1,0M)⏐⏐Cu
2+
(1,0M)⏐Cu
1
4.18.2. OGNIWA GALWANICZNE
Oddzielenie utleniacza od reduktora w taki sposób aby przeniesienie ładunku odbywało się
wyłącznie przez przewodnik tworzy układ zwany ogniwem galwanicznym. Elektrody w takim
ogniwie są zbudowane z dwóch elektrod M
1
i M
2
różniących się aktywnością. Elektrody są
zanurzone w elektrolicie mających wspólny anion A
-
, kationy natomiast w każdym półogniwie
są różne, odpowiednie do metalu elektrody.
Na anodzie, która stanowi metal bardziej aktywny M
1
, zanurzony w roztworze jego jonów,
zachodzi reakcja utleniania:
M
1
= M
1
n+
+ ne
-
Na katodzie, która stanowi metal mniej aktywny M
2
, zanurzony w roztworze jego jonów,
zachodzi reakcja redukcji:
M2
n+
+ ne
-
= M
2
Schemat ogniwa zapisujemy tal aby anoda znajdowała się z lewej strony, a katoda z prawej:
M
1
⎜ M
1
n+
⎜⎜ M
2
n+
⎜ M
2
Ogniwo:
Zn ⎜ Zn
2+
⎜⎜ Cu
2+
⎜ Cu
w roztworze jonów Zn
2+
i Cu
2+
o stężeniu 1 mol / dm
3
w temperaturze 298 K wytwarza
napięcie 1,10 V. Napięcie to jest różnicą potencjałów elektrycznych między dwoma
elektrodami.
Potencjały elektrodowe
Potencjał elektrody mierzy się względem standardowej elektrody wodorowej, zanurzonej w
roztworze jonów H
3
O
+
o pH = 0, której potencjał określono jako równy zero.
Reakcje połówkowe tworzą szereg napięciowy, w którym wodór zajmuje centralne położenie.
Metale bardziej aktywne od wodoru wypierają wodór z roztworów jonu H
+
:
Fe + 2HCl = FeCl
2
+ H
2
Równanie Nernsta
opisuje ilościowe zmiany skłonności do zajścia reakcji w zależności od
stężenia.
E = E
0
- (RT/nF) ln Q
gdzie n - liczba elektronów wymienianych w czasie reakcji,
Q- wyrażenie na działanie mas dla reakcji.
Zmiana energii swobodnej ΔG:
ΔG = - n F E
gdzie: n - liczba faradajów przenoszonych w czasie reakcji,
F - stała Faradaya,
E - napięcie ogniwa.
Zastosowanie ogniw w technice
Ogniwo paliwowe:
Redukcja na katodzie (-): O
2
+ 2H
2
O + 4e
-
= 4OH
-
Utlenianie na anodzie (+): 2H
2
+ 4OH
-
= 4H
2
O + 4e
-
Reakcja sumaryczna: 2H
2
+ O
2
= 2H
2
O
Ogniwo pracuje w temperaturze około 470 K pod ciśnieniem 3 Mpa.
Podobnie:
Utlenianie (anoda): CH
4
+ 8OH
-
= CO
2
+ 6H
2
O + 8e
Redukcja (katoda): 2O
2
+ 4H
2
O + 8e = 8OH
-
2
4.18.3. ELEKTROLIZA
Elektroliza jest procesem, który wywołuje zmiany chemiczne
elektrolitu. Zmiany te zachodzą na powierzchni elektrod
zanurzonych w stopionych solach lub roztworach elektrolitów:
na katodzie
:
Me
+
+ e
-
⎯>
Me
(redukcja)
na anodzie
:
X
-
⎯>
X + e
-
(utlenianie)
I prawo Faradaya:
Masa (m) substancji wydzielonej na
elektrodzie jest proporcjonalna do natężenia prądu (i) i do
czasu elektrolizy (t):
m = k i t
II prawo Faradaya:
Masy (mi) substancji wydzielonych na
elektrodach przez ten sam ładunek mają się do siebie jak masy
molowe (Mi), przypadające na jednostkę ładunku jonu (Z):
m
1
R
1
----- = ------
m
2
R
2
gdzie R
i
= M
i
/ Z
Masa produktu wydzielonego na elektrodzie jest
proporcjonalna do ładunku elektrycznego q, który przepłynął
przez elektrodę, i do wielkości Ri.
mi = R
i
q / F; gdzie F - stała Faradaya = 96500 C
Np. elektroliza stopionego NaCl:
katoda (-): Na
+
+ e
-
= Na -redukcja
anoda(+):Cl
-
= 1/2 Cl
2
+ e- -utlenianie
----------------------------------------------------------------------
suma
Na
+
+ Cl
-
= Na + 1/2Cl
2
3
4.18.3. Rodzaje elektrod i ich potencjały
Typ elektrody Budowa
Przykład
Reakcja
Zapis
Ag
+
+e =Ag Ag
+
/Ag
Prosta
Metal/jon
Ag⏐Ag+
Gazowa
Metal/gaz/
jon
Pt,H
2
⏐H
+
H
+
+e
=1/2H
2
H
+
/H
2
Redoksow
a
Metal/jon
na
wyższym
stopniu
utlenieni
a/
jon na
niższym
stopniu
utlenieni
a
Pt⏐Fe
3+
,Fe
2+
Fe
3+
+ e =
Fe
2+
Fe
3+
/Fe
2+
Złożona
Metal/sól
metalu/
anion soli
Ag⏐AgCl,Cl
-
AgCl + e =
Ag + Cl
-
AgCl/Ag
Potencjały elektrodowe
. Potencjał elektrody mierzy się względem standardowej
elektrody wodorowej, zanurzonej w roztworze jonów H
3
O
+
o pH = 0, której
potencjał określono jako równy zero.
Reakcje połówkowe
tworzą szereg napięciowy, w którym wodór zajmuje centralne
położenie. Metale bardziej aktywne od wodoru wypierają wodór z roztworów jonu
H
+
: Fe + 2HCl = FeCl
2
+ H
2
Standardowy potencjał redukcyjny (Szereg napięciowy pierwiastków)
E
0
(V) Reakcja połówkowa
E
0
(V) Reakcja połówkowa
2,87
F
2
+ 2e = 2F
-
0,00
2H
+
+ 2e = H
2
1,36
Cl
2
+ 2e = 2Cl
-
-0,13 Pb
2+
+ 2e = Pb
1,23
O
2
+ 4H
+
+ 2e = 2H
2
O
-0,14 Sn
2+
+ 2e = Sn
0,80
Ag
+
+ e = Ag
-0,36 PbSO
4
+ 2e = Pb + SO
4
2-
0,34
Cu
2+
+ 2e = Cu
-0,76 Zn
2+
+ 2e = Zn
0,27
Hg
2
Cl
2
+ 2e = 2Hg + 2Cl
-
-2,38 Mg
2+
+ 2e = Mg
0,22
AgCl + e = Ag + Cl
-
-3,05 Li
+
+ e = Li
4
Normalna elektroda wodorowa
jest to elektroda gazowa, wykonana z platyny
pokrytej czernią platynową, omywaną gazowym wodorem pod ciśnieniem 100 kPa,
zanurzona w roztworze o jednostkowej aktywności jonów wodorowych, w
temperaturze 298 K.
Normalny standardowy potencjał E
0
jest różnicą potencjałów, mierzoną między
półogniwem, pracującym w warunkach standardowych, a elektroda wodorową.
4.18.4. ELEKTROLIZA
Elektroliza jest procesem, który wywołuje zmiany chemiczne elektrolitu. Zmiany te zachodzą na
powierzchni elektrod zanurzonych w stopionych solach lub roztworach elektrolitów:
na katodzie
:
Me
+
+ e
-
Me
(redukcja)
na anodzie
:
X
-
X + e
-
(utlenianie)
I prawo Faradaya
:
Masa (m) substancji wydzielonej na elektrodzie jest proporcjonalna do
natężenia prądu (i) i do czasu elektrolizy (t):
m = k i t
II prawo Faradaya:
Masy (m
i
) substancji wydzielonych na elektrodach przez ten sam ładunek
mają się do siebie jak masy molowe (M
i
), przypadające na jednostkę ładunku jonu (Z):
m
1
R
1
----- = ------
m
2
R
2
Masa produktu wydzielonego na elektrodzie jest proporcjonalna do ładunku elektrycznego q,
który przepłynął przez elektrodę, i do wielkości R
i
.
m
i
= R
i
q / F;
gdzie F - stała Faradaya = 96500 C
Np. elektroliza stopionego NaCl:
katoda (-): Na
+
+ e
-
= Na -redukcja
anoda(+): Cl
-
= 1/2 Cl
2
+ e- -utlenianie
----------------------------------------------------------------------
Suma:
Na
+
+ Cl
-
= Na + 1/2Cl
2
5
gdzie R
i
= M
i
/ Z
Plik z chomika:
Expedyt
Inne pliki z tego folderu:
Utylizacja ditlenku węgla poprzez mineralną karbonatyzację.pdf
(241 KB)
ELEKTROCHEMIA.pdf
(234 KB)
PROCESY HIPERGENICZNE.pdf
(1258 KB)
wykład X- węglowodory.odt
(52 KB)
wykład IX- węglowodory aromatyczne, alkohole.odt
(70 KB)
Inne foldery tego chomika:
Ergonomia
Fizyka budowli
Geodezja
Geografia
Hydrologia
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin