710 likes | 1.19k Views
ELEKTROCHÉMIA. Čím sa zaoberá?. Premenou elektrickej energie na chemickú Premenou chemickej energie na elektrickú. Prenos elektrónov. Reakcie prenosu elektrónov sú oxida čno-redukčné alebo redox reakcie . Dochádza k vzniku elektrického prúdu- (galvanické články )
E N D
Čím sa zaoberá? • Premenou elektrickej energie na chemickú • Premenou chemickej energie na elektrickú
Prenos elektrónov • Reakcie prenosu elektrónov sú oxidačno-redukčné alebo redox reakcie. • Dochádza k vzniku elektrického prúdu- (galvanické články ) • Prebiehajú reakcie pri pôsobení elektrického prúdu (elektrolytické články)
Terminológiapre reakcie Redox • OXIDÁCIA—strata elektrónov, zvýšenie oxidačného čísla. • REDUKCIA— prijímanie elektrónov, zníženie oxidačného čísla. • OXIDAČNÉ ČINIDLO— elektrónový akceptor. • REDUKČNÉ ČINIDLO—elektrónový donor.
OXIDAČO-REDUKČNÉ REAKCIE REDOX Reakcie Oxidačné a redukčné činidlo sú v priamom kontakte. Cu(s) + 2 Ag+ ---> Cu2+ + 2 Ag(s) Pokovovanie predmetov
OXIDAČNO-REDUKČNÉ REAKCIE Nepriame REDOX reakcie Batéria pracuje tak, že prenáša elektróny z vonkajšieho drôtu z redukčného činidla na oxidačné činidlo.
Prečo je treba poznať elektrochémiu? • Batérie • Korózia • Priemyselná výroba Al,Cl2, NaOH, F2 • Priemyselná elektrolytická rafinácia Cu, Ni, Au
Elektrochemický článok • Zariadenie, v ktorom prebieha redox reakcia. • ---> galvanický článok • ----> elektrický prúd vzniká • ---> elektrolytický článok • ---> elektrický prúd vyvoláva chemickú zmenu. Batérie sú galvanické články
Kovový vodič e l e k t r ó n y Cu Zn soľný mostik 2+ 2+ Zn ióny Cu ióny Základná koncepcia elektrochemických článkov Anóda Katóda
Zn 2+ Cu ióny CHEMICKÁ ZMENA--->ELECTRICKÝPRÚD Cu sa postupne vylučuje na zinkovom plechu a zinok sa rozpúšťa. • Zn sa oxidujeZn(s) ---> Zn2+ + 2e- • Cu2+sa redukujeCu2+ + 2e- ---> Cu(s)
drôt e l e k t r óny n Cu Zn soľný môstik 2+ 2+ Zn ióny Cu ióny CHEMICKÁ ZMENA--->ELEKTRICKÝPRÚD • Aby sme získali prúd oddelíme oxidáciu od redukcie do osobitných polčlánkov. • Elektróny putujú po vonkajšom kovovom vodiči. Danielov článok Takéto zoskupenie sa volá galvanický článok, alebo batéria.
Danielov galvanický článok Katóda Anóda
drôt e l e k t r óny n Cu Zn soľný môstik 2+ 2+ Zn ióny Cu ióny Zn --> Zn2+ + 2e- Cu2+ + 2e- --> Cu Oxidácia Anóda Záporná Redukcia Katóda Kladná •Elektróny sa pohybujú po vonkajšom drôte. • Soľný môstik a zabezpečuje pohyb iónov medzi polčlánkami. <--Anions Cations-->
Electrochémia korózie V katódickej oblasti prebieha reakcia: O2 +H2O + 4e- 4OH- Ďalej dochádza k reakcii s kyslíkom: 2Fe2+ + O2 + 2OH- Fe2O3(S) + H2O Produkt korózie je HRDZA Tak dochádza k vzniku „ HRDZE“ a objaví sa diera.
drôt e l e c t róny o n Cu Zn salt bridge 2+ 2+ Zn ióny Cu ióny Potenciál článku, E • Pre galvanický článok Zn/Cu , je potenciál+1.10 Vpri 25 ˚C ak [Zn2+] a [Cu2+] = 1.0 M. • To ŠTANDARDNÝ POTENCIÁL ČLÁNKU, Eo
Výpočet potenciálu článku • Polčlánkové redox reakcie sa spočítajú a dostaneme celkovú reakciu Zn(s) ---> Zn2+ + 2e- Cu2+ + 2e- ---> Cu(s) -------------------------------------------- Cu2+ + Zn(s) ---> Zn2+ + Cu(s) Ak poznáme Eokaždej polčlánkovej reakcie môžeme vypočítať Eopre celkovú reakciu ( pre celý článok).
Oxidačná schopnosť iónov o E (V) 2+ Cu + 2e- Cu +0.34 + 2 H + 2e- H 0.00 2+ Zn + 2e- Zn -0.76 Redukčná schopnosť prvku TABUĽKA ŠTANDARDNÝCH REDUKČNÝCH POTENCIÁLOV 2 Pri určení oxidácie z tabuľky pre redukčné potenciály jednoducho zmeňte znamienko!
ŠTANDARDNÁ VODÍKOVÁ ELEKTRÓDA 2H+(aq) H2(g) Volts(red) = 0 voltov [H+] = 1 mol/l P = 101 325 Pa, T = 25oC
+ Zn/Cu Danielov článok Zn(s) ---> Zn2+ + 2e- Eo = +0.76 V Cu2+ + 2e- ---> Cu(s) Eo = +0.34 V --------------------------------------------------------------- Cu2+ + Zn(s) ---> Zn2+ + Cu(s) Eo = +1.10 V Anóda, záporná, zdroj elektrónov Katóda, kladná
Štandarndé redukčné potenciály pri 298 K Redukčná reakcia Rastúca schopnosť oxidačného činidla
Konvencia o znamienkach ΔG = - z F E z- počet elektrónov F – Faradayova konštanta E- potenciál článku • Galvanické články: E>O , ΔG<0 Proces je samovoľný • Elektrolytické články : E<0, ΔG>0 • Proces je vynútený
Danielov článok • ΔG = -zFE kde • E je potenciál článku • Z je počet elektrónov • F je Faradayova konštanta (96 485 Coulombov) • ΔGo = -zFEo pre Danielov článok Eo = 1.10 V z = 2 ΔGo = -2x96485 x1.10 = -212 kJ PROCES JE SAMOVOĽNÝ
Nernstova rovnica Pamätáte si, že ΔG = ΔGo + RTlnQ, preto, -zFE = -zFEo + RTlnQ, alebo zFE = zFEo – RTlnQ, alebo E = Eo – (RT/zF)lnQ Pri T=298 K je E = Eo – (0.059/z)logQ Toto je NERNSTOVA ROVNICA
ø Zn(s) Zn2+(aq, 1M) Cu2+(aq, 1M) Cu(s) E = + 1.10V anóda Soľný môstik katóda = = = Diagramy článkov • IUPAC - konvencia (International Union of Pure and Applied Chemistry) • Pravidlá písania diagramu: • Fázové rozhranie sa zázorňuje plnou zvislou čiarou • Označenie fázy a koncentrácie je v zátvorke • Anóda sa vždy píše na ľavú stranu • Látky s nižším oxidačným číslom sú vedľa inertnej elektródy.
Eogalvanického článku • Fe je lepšie redukčné činidlo ako Cd • Cd2+je lepšie oxidačné činidlo ako Fe2+ Celková reakcia Fe + Cd2+ ---> Cd + Fe2+ Eo = E˚kat. + E˚anod = (-0.40 V) + - (-0.44 V) = +0.04 V
Elektrochémia korózie Železo nie je homogénne. Obsahuje trochu uhíka a iných kovov. V niektorých oblastiach sú napätia. Niektoré z týchto oblastí sú anodické ( zdroj e-), zatiaľčo iné sú katodické. V anodickej oblasti sa za prítomnosti vody železo oxiduje Fe(S) Fe2+ + 2e- Ióny Fe2+ migrujú vo vode do katodickej oblasti.
Elektrochémia korózie V katódickej oblasti prebieha reakcia: O2 +H2O + 4e- 4OH- Ďalej dochádza k reakcii s kyslíkom: 2Fe2+ + O2 + 2OH- Fe2O3(S) + H2O Produkt korózie je HRDZA Tak dochádza k vzniku „ HRDZE“ a objaví sa diera.
Elektrolýza Používanie elektrického prúdu na vyvolanie chemickej zmeny (nabíjanie batérie, alebo elektrolytická reakcia). Poznámka: Chemická reakcia musí prebiehať. Preto je použité napätie vždy vyššie ako rovnovážne.
Electrolýza Pri riešení problémov elektrolýzy je treba vypočítať: • Prúd a dobu • Náboj v coulomboch • Látkové možstvo produktu • Hmotnosť produktu
+ + - - Elektrolytický článok Definície…. Katóda Záporná elektróda Anóda Kladná elektróda Katión Kladný ión Elektrolyt Vodný roztok iónov alebo ióny v tavenine Anión Záporný ión
- + Cu2+ Cl- Cl- Elektrolýza Elektrolýza chloridu meďnatého (CuCl2). Chlorid meďnatý disociuje na Cu2+ a 2Cl-.
- Cu2+ Elektrolýza Na katóde…
Elektrolýza Na katóde… - e- e- Cu2+
Elektrolýza Na katóde… - e- e- Cu2+
Elektrolýza Na katóde… - e- Cu2+ e-
Elektrolýza Na katóde… - e- Cu2+ e-
Elektrolýza Na katóde… - Cu
Elektrolýza Na katóde… - Cu Cu
Elektrolýza Na katóde… - Cu Cu Cu
Elektrolýza Na katóde… -
Elektrolýza Na anóde… + Cl- Cl-
Elektrolýza Na anóde… + Cl- Cl-
Elektrolýza Na anóde + Cl- Cl-
Elektrolýza Na anóde… + e- Cl2 e-
Elektrolýza Na anóde… + e- e- Cl2
Elektrolýza Na aóde… + e- e- Cl2
Elektrolýza Na anóde… + Cl2
Elektrolýza Na anóde… + Cl2 Cl2