Elektrochemia.

Prezentacja na temat: "Elektrochemia."— Zapis prezentacji:

1 Elektrochemia

2 Reakcje utleniania - redukcji
Fe + S = FeS Fe  Fe2+ + 2e- S + 2e-  S2- Reakcje, w wyniku których dochodzi do zmiany wartościowości (stopnia utlenienia) pierwiastków nazywamy reakcjami utleniania - redukcji lub reakcjami red-oks (w języku angielskim słowo oxidation oznacza utlenianie, a słowo reduction oznacza redukcję).

3 Reakcje red-oks jako reakcja chemiczna, jako reakcja elektrochemiczna.

4 Reakcje utleniania i redukcji zachodzące
z udziałem elektronów wymienianych z przewodnikiem elektronowym - elektrodą nazywamy reakcjami elektrochemicznymi. Reakcja utleniania substancji na powierzchni elektrody nosi nazwę reakcji anodowej, a elektroda na której zachodzi proces nazywamy anodą. Reakcją redukcji nazywa się  z kolei reakcję katodową, a elektroda na której zachodzi katodą.

5 Rozkład ładunku na granicy faz metal/elektrolit (model warstwy podwójnej)
Linią ciągłą zaznaczono spadek potencjału w warstwie podwójnej. Warstwa ta powstała wskutek nagromadzenia się elektronów na powierzchni metalu (gęstość ładunku + Warstwa rozmyta Warstwa sztywna Płaszczyzna Helmholtza Ładunek elektronów równoważony jest ładunkiem cząsteczek i jonów nagromadzonych w warstwie podwójnej

6 Równowaga Donnanowska
Cl- c1 c2 Na+ Na+ - + R- Cl- c1 + x Cl- c2 - x Na+ Na+ x(c1+x) = (c2-x)(c2-x)

7 Przyczyny powstawania podwójnej warstwy elektrycznej:
Elektrony lub jony mogą przechodzić samorzutnie z jednej fazy do drugiej, w wyniku czego jedna faza wykazuje niedomiar, a druga nadmiar ładunków określonego znaku. Wybiórcza adsorpcja jonów jednego rodzaju, powodująca nagromadzenie się ładunków jednego znaku w sąsiedztwie granicy faz. Adsorpcja polarnych cząstek rozpuszczalnika lub substancji rozpuszczonej, w taki sposób, że dipole orientują się na granicy faz.

8 Wartość potencjału elektrody zależy od właściwości metalu,
M Mn+ + ne - + - + - + + - + - - - + + + - + + - + - - I1 prąd wymiany I2 Wartość potencjału elektrody zależy od właściwości metalu, stężenia (aktywności) kationu i temperatury.

9 Równanie Nernsta E0 – normalny potencjał elektrody, tj. potencjał elektrody w roztworze o aktywności jonów metalu aMn+ = 1 R – stała gazowa, T – temperatura [K], F – stała Faradaya, N – liczba elektronów biorących udział w reakcji. aM0 = const. = 1

10 R = 8,31441 J ·K-1 · mol –1 F = 96486,7 C · mol –1 (T = 298 K)

11 E0 – potencjał standardowy, potencjał normalny
Potencjał standardowy można obliczyć z danych termodynamicznych - standardowych potencjałów chemicznych substancji biorących udział w reakcji elektrochemicznej posługując się równaniem: ni – liczba moli

12

13 Potencjał elektrody żelaznej zależy od stężenia kationów Fe2+
w roztworze.

14 SEM = E1 – E2 Siła elektromotoryczna ogniwa (SEM)
Potencjał pojedynczej elektrody możemy mierzyć przy pomocy ogniwa w którym jedną z elektrod jest elektroda wzorcowa, elektroda o znanym, niezmiennym w czasie potencjale, zwanym potencjałem odniesienia.

15 Pomiar potencjału, elektrody wzorcowe.
Elektroda wodorowa Elektroda kalomelowa

16 Potencjały wybranych elektrod odniesienia w roztworach wodnych względem standardowej elektrody wodorowej (SHE) i nasyconej elektrody kalomelowej (SCE) (D.J.Ives, G.J.Janz: Reference Electrodes, Academic Press, N.York 1961.

17 Elektroda odniesienia
Pomiar pH roztworów SEM Klucz elektrolityczny Elektroda odniesienia Elektroda wodorowa

18 Elektroda odniesienia
SEM Klucz elektrolityczny Elektroda odniesienia (chlorosrebrowa) Elektroda szklana

19 SEM EAgCl – E0 (sz) - pH

20 Podział elektrod ze względu na mechanizm reakcji elektrodowych:
Elektrody pierwszego rodzaju, odwracalne względem kationu lub względem anionu Np.: elektroda srebrowa, elektroda wodorowa. Elektrody drugiego rodzaju, odwracalne względem wspólnego anionu Np.: elektroda kalomelowa, elektroda chlorosrebrowa. M Mn+ + ne MA(S) + ne M + An-

21 Elektrody trzeciego rodzaju,
odwracalne względem wspólnego anionu, np.: Pb + CaCO PbCO3 + Ca2+ + 2e Elektrody redoks, np.: elektroda chinhydronowa Elektrody membranowe HO OH O O + 2H+ + 2e hydrochinon hinon

22 Ogniwa galwaniczne, ogniwa elektrolityczne
Ogniwo Daniella W przypadku Ogniwa Daniella obie przestrzenie elektrodowe są rozdzielone przy pomocy diafragmy, warstwy o przewodnictwie jonowym, zapobiegającej mieszaniu się roztworów znajdujących się po obu jej stronach.

23 Prawo Faradaya: masa substancji m uczestniczącej w reakcji elektrodowej jest proporcjonalna do przepływającego ładunku: gdzie: m = masa substancji (g), M = gramoatom, gramocząsteczka danej substancji (g/mol), I = natężenie prądu płynącego przez granicę faz elektroda/elektrolit (A), t = czas (s), n = ilość elektronów wymienianych w czasie procesu elektrodowego, F = C/ równoważnik - stała Faradaya.

24 Ogniwo wodorowo-tlenowe jako ogniwo galwaniczne
i jako ogniwo elektrolityczne

25 Schemat akumulatora ołowiowego
a) Proces ładowania (praca akumulatora jako elektrolizera): b) Proces rozładowania (praca akumulatora jako ogniwa):

26 Schemat ogniwa Leclanche’go

27 Elektroliza stopionego NaCl
Elektrolizer stosowany w procesie Downa do otrzymywania metalicznego sodu oraz chloru. Elektrolizie poddany jest stopiony chlorek sodowy. Na grafitowej anodzie jony chlorkowe utleniają się tworząc gazowy chlor. Metaliczny sód otrzymujemy na stalowej katodzie w wyniku redukcji kationów sodowych.