AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Chemia Ogólna
Chemia Ogólna
Wykład 6
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Chemia Ogólna
Chemia Ogólna
Wykład 6
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
ELEKTROCHEMIA
ELEKTROCHEMIA
Każda reakcja redoks jest związana z przeniesieniem
elektronu–
elektrony
przechodzą
od
formy
zredukowanej do formy utlenionej.
)
utlenienie
(
odukt
Pr
e
d
Re
)
redukcja
(
odukt
Pr
e
Ox
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
Elektrody
Elektroda
Elektroda – powierzchnia metalu (lub innego
przewodnika), na której zachodzi reakcja wymiany
ładunku (utleniania, bądź redukcji).
elektroda
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
Elektrody gazowe
Me│X│X
n-
– przewodnik metaliczny (najczęściej platyna),
obmywany gazową postacią pierwiastka, zanurzony
w roztworze jonów danego pierwiastka.
X + ne X
n-
lub
X X
n+
+ ne
Elektrody I rodzaju
Elektrody I rodzaju
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Normalna Elektroda Wodorowa(NEW)
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
PtH
2
H
+
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Elektrody metaliczne
Elektrody metaliczne
Me│Me
n+
– metali zanurzony w roztworze jonów własnych
Me Me
n+
+ ne
Zn Zn
2+
+2
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
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
Elektrody II rodzaju
Elektrody II rodzaju
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Nasycona Elektroda Kalomelowa (NEK)
Nasycona Elektroda Kalomelowa (NEK)
Przewodnik elektronów (Pt)
połączony
z
metaliczną
rtęcią
(Hg)
pokrytą
kalomelem – chlorkiem rtęci
(I) (Hg
2
Cl
2
) w nasyconym
roztworze (KCl).
E
0
= 0,241V
HgHg
2
Cl
2
Cl
-
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Szybkość reakcji elektrochemicznej
Szybkość reakcji elektrochemicznej
d
Re
ne
Ox
R
O
O
,
R
–
współczynniki stechiometryczne.
v
v
W stanie równowagi:
Wiedząc, że:
dt
dc
v
oraz:
v
M
m
c
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Szybkość reakcji można zdefiniować jako:
dt
dm
v
Zgodnie z prawem Farday’a:
F
n
t
I
M
t
I
k
m
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:
F
n
I
M
dt
dm
v
M
v
F
n
I
0
I
I
I
Prąd anodowy jest równy prądowi katodowemu i osiąga
wartość I
0
zwaną
prądem wymiany.
prądem wymiany.
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Wiedząć, że szybkość reakcji jest proporcjonalna do
stężenia, to zaś jest powiązane z aktywnością wzorem:
f
c
a
Można zdefiniować prąd anodowy i katodowy jako:
RT
)
E
E
(
nF
O
0
0
O
e
a
k
F
n
I
RT
)
E
E
(
nF
)
1
(
R
0
0
R
e
a
k
F
n
I
k
0
– stała szybkości reakcji,
a
O
,a
R
– aktywności formy utlenionej i zredukowanej,
- współczynnik symetrii bariery energetycznej,
E
0
- potencjał normalny.
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Porównując do siebie prawe strony poprzednich
równań otrzymany
równanie
równanie
Nernst’a
Nernst’a :
R
O
R
O
0
a
a
ln
nF
RT
E
E
Potencjał normalny
Potencjał normalny – potencjał elektrody mierzony
względem NEW (normalnej elektrody wodorowej),
której potencjał wynosi 0.
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Ogniwo galwaniczne
Ogniwo galwaniczne
Ogniwo galwaniczne
Ogniwo galwaniczne – 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
Ogniwo galwaniczne
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Pomiar potencjału elektrodowego
Pomiar potencjału elektrodowego
Elektroda odniesienia
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
Poencjał normalny elektrody metalowej
Poencjał normalny elektrody metalowej –
potencjał
metalu
zanurzonego
w
elektrolicie
zawierającym jony tego metalu zmierzony względem
NEW.
Szereg
napięciowy
Szereg
napięciowy
–
metale
ułożone
wg
wzrastającego potencjału normalnego.
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Potencjały normalne niektórych metali w 25
o
C
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Ogniwa elektrochemiczne
Ogniwa elektrochemiczne
ogniwa
ogniwa
galwaniczne
elektrolityczne
Spontaniczna
reakcja
redoks
w
ogniwie
powoduje
przepływ
prądu
w
obwodzie
zewnętrznym.
Reakcja redoks w
ogniwie
jest
wymuszana
przez
przepływ prądu z
zewnętrznego źródła
zasilania.
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Ogniwo PtH
2
H
2
OO
2
Pt pracujące jako:
a) ogniwo galwaniczne, b) ogniwo elektrolityczne.
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Ogniwa galwaniczne
Ogniwa galwaniczne
Stos Volty – pierwsza bateria (1880).
elektrol
it
cynk
miedź
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Ogniwo Daniell’a ZnZnSO
4
CuSO
4
Cu
A: Zn Zn
2+
+2e
C: Cu
2+
+2e Cu
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Akumulator ołowiowy Pb|PbO
2
| H
2
SO
4
, H
2
O|PbSO
4
|Pb
Ładowanie:
A: Pb
2+
+2H
2
O PbO
2
+4H
+
+ 2e
C: Pb
2+
+2e Pb
Rozładowanie:
A: Pb Pb
2+
+2e
C: PbO
2
+4H
+
+ 2e Pb
2+
+2H
2
O
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Akumulatory niklowo–kadmowe
Cd|Cd(OH)
2
|KOH, H
2
O|NiOOH|Ni
Ładowanie: A:2Ni(OH)
2
+2OH
-
2NiOOH+2H
2
O+2e
C: Cd(OH)
2
+2e Cd+2OH
-
Rozładowanie: A: Cd+2OH
-
Cd(OH)
2
+2e
C: 2NiOOH+2H
2
O+2e 2Ni(OH)
2
+2OH
-
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Bateria cynkowo–węglowa – ogniwo Leclanche’go
Zn|Zn
+2
|NH
4
Cl|MnO
2
|C
A: Zn Zn
2+
+2e
C: 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+
metalowa
zatyczka
pręt
węglowy
osłona
cynkowa
MnO
2
pasta NH
4
Cl
metalowe
dno
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Elektroliza
Elektroliza
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: 2O
2-
O
2
+4e
C: 4H
+
+4e 2H
2
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Elektroliza wodnego roztworu NaCl.
A: 2Cl
-
Cl
2
+2e
K: 2H
+
+2e H
2
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Elektroliza stopionego NaCl.
A: 2Cl
-
Cl
2
+2e
C: 2Na
+
+2e 2Na
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Elektrolityczne otrzymywanie aluminium
A: 6O
2-
3O
2
+12e
C+O
2
CO
2
K: 4Al
3+
+12e 4Al
AGH-WIMiR, wykład z chemii ogólnej
Elektropolerowanie srebra
A: Ag Ag
+
+e
K: Ag
+
+e Ag