Chemia Ogólna
description
Transcript of Chemia Ogólna
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.
)utlenienie(oduktPredRe
)redukcja(oduktPreOx
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
anoda katoda
utlenianie redukcja
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Pierwiastek w równowadze ze swoimi jonami.
Elektrody te dzielimy na gazowe i metaliczne.
Elektrody gazowe
Me│X│Xn- –przewodnik metaliczny (najczęściej platyna),
obmywany gazową postacią pierwiastka, zanurzony
w roztworze jonów danego pierwiastka.
X + ne Xn- lub
X Xn+ + ne
Elektrody I rodzaju
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 (H2)
pod ciśnieniem 1 atm.
(p=1atm.=101 325 Pa).
E0 = 0,000V
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Nasycona Elektroda Kalomelowa (NEK)
Przewodnik elektronów (Pt)
połączony z metaliczną
rtęcią (Hg) pokrytą
kalomelem – chlorkiem
rtęci (I) (Hg2Cl2) w
nasyconym roztworze
(KCl).
E0 = 0,241V
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Elektrody metaliczne
Me│Men+ – metali zanurzony w roztworze jonów własnych
Me Men+ + ne
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Metal pokryty swoją trudno rozpuszczalną solą
w równowadze z roztworem soli innego metalu
o takim samym anionie.
Me1│Me 1A(s)│Me2A
Elektrody II rodzaju
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Szybkość reakcji elektrochemicznej
dReneOx RO
O, R – współczynniki stechiometryczne.
vv
W stanie równowagi:
Wiedząc, że:
dtdc
v
oraz:
vMm
c
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Szybkość reakcji można zdefiniować jako:
dtdm
v
Zgodnie z prawem Farday’a:
FntIM
tIkm
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).
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Łącząc poprzednie wzory otrzymujemy:
FnIM
dtdm
v
MvFn
I
0III
Prąd anodowy jest równy prądowi katodowemu i osiąga
wartość I0 zwaną prądem wymiany.
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Wiedząć, że szybkość reakcji jest proporcjonalna do
stężenia, to zaś jest powiązane z aktywnością wzorem:
fca Można zdefiniować prąd anodowy i katodowy jako:
RT)EE(nF
O0
0
OeakFnI
RT)EE(nF)1(
R0
0
R eakFnI
k0 – stała szybkości reakcji,aO,aR – aktywności formy utlenionej i zredukowanej, - współczynnik symetrii bariery energetycznej,E0 - potencjał normalny.
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Porównując do siebie prawe strony poprzednich
równań otrzymany równanie Nernst’a :
R
O
R
O0
a
aln
nFRT
EE
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
Potencjał normalny elektrody metalowej –
potencjał metalu zanurzonego w elektrolicie
zawierającym jony tego metalu zmierzony względem
NEW.
Szereg napięciowy – metale ułożone wg
wzrastającego potencjału normalnego.
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Potencjały normalne niektórych metali w 25oC
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
OgniwoOgniwo – dwie elektrody zanurzone w elektrolitach,
połączone przewodnikiem elektronów i mostkiem
elektrolitycznym.
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 elektrolityczne
spontaniczna reakcja redoks w ogniwie powo-duje przepływ prądu w obwodzie zewnętrznym
reakcja redoks w ogniwie jest wymuszana przez przepływ prądu z zewnę-trznego źródła zasilania.
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Ogniwo PtH2H2OO2 Pt pracujące jako:
a) ogniwo galwaniczne, b) ogniwo elektrolityczne.
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Ogniwa galwaniczne
Stos Volty – pierwsza bateria (1880)ZnH2SO4Cu
elektrolit
cynkmiedź
A: Zn Zn2+ +2e
K: Cu2H++2e H2
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Ogniwo Daniell’a ZnZnSO4 CuSO4Cu
A: Zn Zn2+ +2e
K: Cu2++2e Cu
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Akumulator ołowiowy Pb|PbO2| H2SO4, H2O|PbSO4|Pb
Ładowanie:
A: Pb2++2H2O PbO2+4H++ 2e
K: Pb2++2e Pb
Rozładowanie:
A: Pb Pb2++2e
K: PbO2+4H++ 2e Pb2++2H2O
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Akumulatory niklowo–kadmowe
Cd|Cd(OH)2|KOH, H2O|NiOOH|Ni
Ładowanie: A:2Ni(OH)2+2OH- 2NiOOH+2H2O+2e
K: Cd(OH)2+2e Cd+2OH-
Rozładowanie: A: Cd+2OH- Cd(OH)2+2e
K: 2NiOOH+2H2O+2e 2Ni(OH)2+2OH-
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Bateria cynkowo–węglowa – ogniwo Leclanche’go
Zn|Zn+2|NH4Cl|MnO2|C
A: Zn Zn2+ +2e
K: 2NH4++2e 2NH3+H2
H2+2MnO2 Mn2O3+H2O
4NH3+Zn2+ [Zn(NH3)4]2+
metalowa zatyczka
pręt węglowy
osłona cynkowa
MnO2
pasta NH4Cl
metalowe dno
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Elektroliza
Elektroliza – proces podczas którego prąd
elektryczny z zewnętrznego źródła zasilania
powoduje zachodzenie na elektrodach reakcji
utleniania i redukcji.
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Elektroliza wody w aparacie Hoffman’a
A: 2O2- O2 +4e
K: 4H++4e 2H2
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Elektroliza wodnego roztworu NaCl.
A: 2Cl- Cl2 +2e
K: 2H++2e H2
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Elektroliza stopionego NaCl.
A: 2Cl- Cl2 +2e
K: 2Na++2e 2Na
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Elektrolityczne otrzymywanie aluminium
A: 6O2- 3O2 +12e
C+O2 CO2
K: 4Al3++12e 4Al
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Elektropolerowanie srebra
A: Ag Ag++e
K: Ag++e Ag