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.

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.

Utlenianie żelaza (2+) jako: 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 redukcja anoda katoda

Elektrody I rodzaju Elektrody gazowe AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Elektrody I rodzaju 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

Normalna Elektroda Wodorowa(NEW) 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

Nasycona Elektroda Kalomelowa (NEK) 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 Elektrody II rodzaju Metal pokryty swoją trudno rozpuszczalną solą w równowadze z roztworem soli innego metalu o takim samym anionie. Me1│Me­1A(s)│Me2A

Szybkość reakcji elektrochemicznej AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Szybkość reakcji elektrochemicznej O, R – współczynniki stechiometryczne. W stanie równowagi: Wiedząc, że: oraz:

Szybkość reakcji można zdefiniować jako: AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Szybkość reakcji można zdefiniować jako: Zgodnie z prawem Farday’a: 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).

Łącząc poprzednie wzory otrzymujemy: AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Łącząc poprzednie wzory otrzymujemy: Prąd anodowy jest równy prądowi katodowemu i osiąga wartość I0 zwaną prądem wymiany.

Można zdefiniować prąd anodowy i katodowy jako: AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Wiedząć, że szybkość reakcji jest proporcjonalna do stężenia, to zaś jest powiązane z aktywnością wzorem: Można zdefiniować prąd anodowy i katodowy jako: 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 : Potencjał normalny – potencjał elektrody mierzony względem NEW (normalnej elektrody wodorowej), której potencjał wynosi 0.

Pomiar potencjału elektrodowego 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 ułożone wg wzrastającego potencjału normalnego. Potencjał normalny elektrody metalowej – potencjał metalu zanurzonego w elektrolicie zawierającym jony tego metalu zmierzony względem NEW.

Potencjały normalne niektórych metali w 25oC AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Potencjały normalne niektórych metali w 25oC

AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Ogniwo Ogniwo – 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.

Ogniwa ogniwa galwaniczne elektrolityczne 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.

Ogniwo PtH2H2OO2 Pt pracujące jako: AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Ogniwo PtH2H2OO2 Pt pracujące jako: a) ogniwo galwaniczne, b) ogniwo elektrolityczne.

Stos Volty – pierwsza bateria (1880) AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Ogniwa galwaniczne elektrolit cynk miedź A: Zn  Zn2+ +2e K: Cu2H++2e H2 Stos Volty – pierwsza bateria (1880) ZnH2SO4Cu

Ogniwo Daniell’a ZnZnSO4 CuSO4Cu AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej A: Zn  Zn2+ +2e K: Cu2++2e  Cu Ogniwo Daniell’a ZnZnSO4 CuSO4Cu

Akumulator ołowiowy Pb|PbO2| H2SO4, H2O|PbSO4|Pb AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej Ładowanie: A: Pb2++2H2O PbO2+4H++ 2e K: Pb2++2e  Pb Rozładowanie: A: Pb  Pb2++2e K: PbO2+4H++ 2e  Pb2++2H2O Akumulator ołowiowy Pb|PbO2| H2SO4, H2O|PbSO4|Pb

Akumulatory niklowo–kadmowe Cd|Cd(OH)2|KOH, H2O|NiOOH|Ni AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej 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- Akumulatory niklowo–kadmowe Cd|Cd(OH)2|KOH, H2O|NiOOH|Ni

Bateria cynkowo–węglowa – ogniwo Leclanche’go AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej metalowa zatyczka pręt węglowy osłona cynkowa MnO2 pasta NH4Cl metalowe dno A: Zn  Zn2+ +2e K: 2NH4++2e  2NH3+H2 H2+2MnO2 Mn2O3+H2O 4NH3+Zn2+ [Zn(NH3)4]2+ Bateria cynkowo–węglowa – ogniwo Leclanche’go Zn|Zn+2|NH4Cl|MnO2|C

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.

Elektroliza wody w aparacie Hoffman’a AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej A: 2O2-  O2 +4e K: 4H++4e  2H2 Elektroliza wody w aparacie Hoffman’a

Elektroliza wodnego roztworu NaCl. AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej A: 2Cl-  Cl2 +2e K: 2H++2e  H2 Elektroliza wodnego roztworu NaCl.

Elektroliza stopionego NaCl. AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej A: 2Cl-  Cl2 +2e K: 2Na++2e  2Na Elektroliza stopionego NaCl.

Elektrolityczne otrzymywanie aluminium AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej A: 6O2-  3O2 +12e C+O2  CO2 K: 4Al3++12e  4Al Elektrolityczne otrzymywanie aluminium

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