1 / 26

ELEKTROKEMIJA

ELEKTROKEMIJA. Početci razumijevanja električnih pojava. Luigi Galvani (XVIII st.) – utjecaj atmosferskog elektriciteta na mišiće (žablji krak između željezne ploče i mjedene kuke). Faraday, Maxwell (XIX st) - elektrodinamika.

ashlyn
Download Presentation

ELEKTROKEMIJA

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. ELEKTROKEMIJA MMFK: elektrokemija/26

  2. Početci razumijevanja električnih pojava Luigi Galvani (XVIII st.) – utjecaj atmosferskog elektriciteta na mišiće (žablji krak između željezne ploče i mjedene kuke) • Faraday, Maxwell (XIX st) - elektrodinamika Alessandro Volta – uočio da se pojavljuje elektricitet u žici koja spaja dva različita metala razdvojena vlažnom tkaninom (ili žabljiim krakom) Voltin stup – izvor istosmjerne struje (80-100 V)stavljen jedan na drugi, niz parova pločica Ag/Zn a između tkanina navlažena slanom vodom. UAg/Zn= 1,1 (V) • Coulomb (XIX st) - elektrostatika MMFK: elektrokemija/26

  3. Elektrokemijski članak Elektrolitička ćelija voltmetar, galvanoskop + – Izvor struje Elektroni Anoda jer je to mjesto oksidacije ili oksidirajuće sredstvo redukcijskog sredstva, nižeg je potencijala, odpušta elektrone, gubi masu AnodaKatoda Anoda Katoda – + Katoda jer je to mjesto redukcije ili reducirajuće sredstvo, oksidacijskog sredstva, višeg je potencijala, prima elektrone, dobiva masu OksidacijaRedukcija Oksidacija Redukcija PRISILAN OBRNUTI PROCES Anoda članka postaje katoda ćelije i obratno ako se narine napon veći i suprotan od napona članka)! SPONTANI PROCES: Dobivanje el. struje u članku s dvije elektrode različitih elektrodnih (redoks) potencijala! MMFK: elektrokemija/26

  4. Elektrokemijski (galvanski) članak – spontani proces Čemu služi elektrolitni ključ i kako radi - V anoda V + katoda Odpušta elektrone, oksidacija, gubi masu Prima elektrone, redukcija, dobiva masu • Elektrode i otopina: • U različitim otopinama, razdvojene elektrolitičkim ključem • u istoj otopini Cu Zn • Elektrode sudjeluju u reakciji: • Da i različitog su potencijala • Ne, ali mogu i ne moraju biti iste vrste MMFK: elektrokemija/26

  5. Daniellov članak Zn i Cu elektrode nakon elektrokemijskog procesa u Daniellovom članku 1,0 M ZnSO4 1,0 M CuSO4 El.lit ključ: uravnotežuje naboje u otopini a) KCl+agar b) Različite tvari ili membrane A(-): Zn Zn2+ + 2e- K(+):Cu2+ +2e- Cu ------------------------------ Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu Oksidacija anode U0 (Zn/ZN+)=-0.76V Redukcijakatode U0(Cu2+/Cu)=+0.34V MMFK: elektrokemija/26

  6. Napon članka naziva se: • razlika potencijala među elektrodama • Elektromotorna sila ili elektromotivnost Ečl=? U(Zn/Cu)=1,10(V) Anoda (-) Katoda (+) EoCu = + 0,34 (V) EoZn = - 0,76(V) Razlika potencijala? Negativnija elektroda se oksidira i naziva ANODA. ALI, potencijal pojedine elektrode prema otopini ne može se mjeriti! Zn se ponaša kao ANODA, a Cu kao KATODA, oboje prema VODIKOVOJ ELEKTRODI MMFK: elektrokemija/26

  7. Prema čemu se određuje potencijal neke elektrode ako se ne može prema otopini? Standardna vodikova elektroda Anoda (-) 0,34 (V) Katoda (+) reducirajuće sredstvo EoCu = + 0,34 (V) H2 105(Pa) Jaka, jednoprotonska kiselina, obično HCl KCl /agar Cu Pt Cu 1,0 mol dm–3 H+ 1,0 mol dm–3 CuSO4 MMFK: elektrokemija/26

  8. Najviše reducirajuće jedinke Standardni elektrodni potencijali (pri: 25 °C, 1 atm, 1 M otopina) Eo(V) Elektrodna reakcija Li+ + e– Li –3,05 K+ + e– K –2,93 Ca2+ + 2 e– Ca –2,87 Na+ + e– Na –2,71 Mg2+ + 2 e– Mg –2,37 Al3+ + 3 e– Al –1,66 Zn2+ + e– Zn –0,76 Fe2+ + 2 e– Fe –0,44 (anode prema vodikovoj elektrodi istikuju vodik iz Sn2+ + 2 e– Sn –0,14 vode i razrijeđenih kiselina) 2 H+ + 2 e– H2 0 Cu2+ + 2e– Cu 0,34(katode prema vodikovoj elektrodi) Fe3+ + 3e–  Fe2+ 0,77 Ag+ + e–  Ag 0,80 Primjeri: Ag će biti istisnut pomoću Cu Cu će biti istisnut pomoću Zn: 2Ag++Cu(s)↔2Ag(s)+Cu2+ Cu2++Zn(s) ↔Cu(s)+Zn2+ Itd. Najmanje reducirajuće jedinke MMFK: elektrokemija/26

  9. Negativnija elektroda se oksidira i naziva ANODA Elektrodni potencijal članka: Eo(K/A) = Eo(K) – Eo(A) Članak SHE/Zn Članak Cu/SHE K (+) A(-) K (+) A(-) Članak Zn/Cu A(-) K (+) Pt Zn Eo(Zn) = - 0,76(V) Pt Cu Eo(Cu) = + 0,34 (V) Zn Cu Eo(Zn/Cu) = +1,10(V) Eo(SHE) = 0 MMFK: elektrokemija/26

  10. Spontani proces Elektroliza – raspadanje tvari pod utjecajem el. struje Prisilni obrnuti proces (narinutim naponom) Članak Zn/Cu Ćelija Zn/Cu Oksidacija Redukcija Redukcija Oksidacija A(-) K (+) + K - A Zn se otapa Cu se taloži Zn se taloži Cu se otapa U>Eo(Zn/Cu) MMFK: elektrokemija/26

  11. Tehnički važni procesi redukcije Na+ + e ¯ Na(s) (dobivanje Na iz rastaljenog NaCl ili NaOH) Cu2+ + 2 e ¯ Cu(s) (rafiniranje sirovog bakra) Ag+ + e ¯ Ag(s) (rafiniranje sirovog srebra) Ag(CN)2¯ + e ¯ Ag(s) + 2CN ¯(posrebrivanje) Pb2+ + 2 e ¯  Pb(c) (punjenje olovnog akumulatora) CrO42 ¯+ 8 H+ + 6H+→Cr(s) + 4H2O (kromiranje) Al2O3(l) + 6 e ¯ 2 Al(l) + 3 O2 ¯ (dobivanje aluminija iz taljevine) 2H+ + 2e ¯ H2(g) (dobivanje vodika iz vode) MMFK: elektrokemija/26

  12. Tehnički važni procesi oksidacije 2 Cl ¯ Cl2(g) + 2 e ¯(dobivanje klora iz taljevine ili otopine NaCl) 4 OH ¯O2(g)+ 2 H2O + 4 e ¯(dobivanje kisika iz vode) MnO42¯ MnO4 ¯ + e ¯(dobivanje permanganata iz otopine manganata) 2 SO42¯ S2O82 ¯ + 2 e ¯(dobivanje peroksodisulfata) Pb2+ + 2 H2O PbO2(s) +4 H+ + 2 e ¯(punjenje olovnog akumulatora) Cu(s)  Cu2+ + 2 e ¯ (rafiniranje sirovog bakra) Ag(s) Ag++ e ¯ (rafiniranje sirovog srebra) 2 Al(c) + 3 H2O  Al2O3(s) + 6H+ + 6 e ¯(eloksiranje:prevlačenje aluminija slojem Al2O3 ) MMFK: elektrokemija/26

  13. Nernst-ova jednačba:Potencijal ćelije i koncentracija reaktanata i produkata Iz II i IIII zakona termodinamike: Gibbs-ova funkcija (“slobodna energija”) (promatrajući promjenu entropije spontanih procesa!) je energija koja je na raspolaganju da izvrši rad pri ΔT=0): Δ G = Δ H - T Δ S Kriterij spontanosti (energija se oslobađa) reakcije: Δ G < 0 Reakcija je u ravnoteži: Δ G = 0 Spontana je kad se odvija u suprotnom smjeru Δ G > 0 Za nestandardne otopine (tj. kada tijekom reakcije koncentracija nije više 1M) potencijal ćelije je: E = Eo – (RT lnQ)/nF U ravnoteži, kvocjent reakcije Q postaje konstanta ravnoteže K MMFK: elektrokemija/26

  14. O2(g) + 4H+ + 4e-→ 2H20 Korozija željeza (jedan predmet je istovremeno i anoda i katoda) Reakcija ne ide bez zraka i vode, tj.: a)bez O2 niti b)bez H+ (otapanjem CO2 u vodi) 2Fe2+(aq) + 1/2O2(g) + (2+n)H2O(l) Fe2O3•nH2O(s) + 4H+(aq) Anoda, oksidacija, reducens: Fe(s)  Fe2+(aq)+2e- Katoda, redukcija, oksidans: O2(g) + 4H+ + 4e-→ 2H2O Hidratizirano željezo Elektrodni potencijal hrđanja željeza: U = Ured – Uoks = U(O2) – U(Fe2+) = 1,23 – (-0,44) = 1,67 (V) MMFK: elektrokemija/26

  15. Korozija željeza nije isto što i korozija bakra, aluminija ili srebra Patiniranje sprječava daljnju koroziju: • aluminija: Al(s) → Al2O3(s) U(Fe2+)= -0,44 (V) (jak reducens, trajnost željeznih predmeta?) U(Al3+) = -1,66 (V) (još jači reducens, trajnost aluminijskih predmeta?) bakra: Cu(s) → Cu2+ (aq) + 2e- → CuCO3 (zeleni bakreni krovovi) srebra: Ag(s) → Ag+ (aq) + e- → Ag2S (crni srebrni svječnjaci, crni srebrni nakit, crni srebrni pribor za jelo) MMFK: elektrokemija/26

  16. Komercijalni elektrokemijski izvori struje Primarni galvanski članci (suhe baterije) Leclanché-ov članak (obična C/Zn suha baterija sa NH4Cl+ZnCl2+H2O elektrolitom Alkalne (sa MnO2) Baterije za posebne namjene Zn/Ag2O (300kW/10 min u motoru torpeda) Li/I dugoživuća za pacemaker, stimulator miokarda • 2. Sekundarni galvanski članci • Pb akumulator 6,12,24 (V) za jake motore • Ni/Cd , punjiva, zamjena za Leclanché-ov, • Na/S za elektromobile i energijske stanice do 100 (MWh), radna temperatura na 270-410 (C) • Li sa čvrstim elektrolitom MMFK: elektrokemija/26

  17. 3. Gorivni članci (NISU “GORIVI”!) Članak: Pretvara kemijsku energiju u električnu uz učinkovitost oko 70%. (Nalikuje na motor ali nije toplinski stroj pa nije podložan termodinamičkim ograničenjima s iskorištenjem od oko 40%.) Gorivni: Uspoređuje se s gorenjem (ALI NIJE GORIVI JER NE GORI): Ne akumulira energiju nego ju proizvodi Treba dodavati reaktante (jer se troše kao i gorivo) Treba uklanjati produkte (kao i dim i pepeo) MMFK: elektrokemija/26

  18. Gorivni članak Vodik/Kisik Oksidacija na anodi:2H2(g)+4OH-(aq)4H2O(l)+4e- U=0,83(V) Redukcija na katodi:O2(g)+2H2O(l)+4e- 4OH-(aq) U=0,40 (V) Vodena para Porozna ugljena katoda sadrži Ni i NiO Porozna ugljena anoda sadrži Ni H2 O2 Vruća otopina KOH Sumarno:2H2(g)+O2(g) 4H2O(l) U=1,23 (V) MMFK: elektrokemija/26

  19. Gorivni članak Vodik/Kisik Elektrode su inertni elektrokatalizatori – porozni metali (Pt,Ni,...) koji služe kao: Kontakt Površina na kojoj se molekule razdvajaju na atome prije nego što počne prijenos elektrona • Korist: • Dobivanje pitke vode • Dobivanje električne energije MMFK: elektrokemija/26

  20. Elektroliza – reakcija se ne zbiva spontano, uložiti el. energiju Elektrolit: talina ili otopina ionskog spoja K+A–(l) - + Anioni otpuštaju elektrone na anodi (oksidacija) IZVOR STRUJE e- Što se elektrolizira?? • Ili otopljena tvar • ili otapalo • ili elektrode??? anoda katoda K+ Kationi primaju elektrone na katodi (redukcija) K+ e- e- (+) A- (-) K+ A- A- • Ovisi • o otopini (vrsti otapala i otopljene tvari ) • o elektrodama!!! MMFK: elektrokemija/26

  21. Elektroliza taline natrijevog klorida – • DOWNS–OV ČLANAK • Talište NaCl je iznad 800 C snižava se za oko 200 C dodatkom KCl • Produkte razdvojiti, smjesa je eksplozivna (Fe katoda kao zaslon!) MMFK: elektrokemija/26

  22. + - Elektroliza vodene otopine NaCl(aq) IZVOR STRUJE e- e- NaCl(aq) Radi se sa zasićenom otopinom NaCl Koja će se reakcija dogoditi na katodi? REDUKCIJA, ali čega? Na+ • Elektrolizom vodene otopine NaCl razvija se • na katodi H2 i baza NaOH • na anodi Cl i zatim hipokloritna kiselina HClO Cl- (+) (-) H2O katoda anoda MMFK: elektrokemija/26

  23. Elektroliza vode Elektrode: neaktivne, napr. Pt ili C Čista voda (H2O) teško se elektrolizira jer nije vodljiva. Radi se s razrijeđenom Na2SO4, MgSO4 ili sl. H2 O2 • Produkte razdvojiti, smjesa je eksplozivna (plin praskavac H2+O2 aktivira se iskrom) MMFK: elektrokemija/26

  24. Prvi Faraday-ev zakon elektrolize NABOJ koji proteče kroz elektrolit, proporcionalan je s KOLIČINOM tvari koja se izluči na bilo kojoj elektrodi Q = F · n = F ·m · z / M z - naboj iona F - Faraday-eva konstanta F = e · NA = 1,602 · 10-19 (C) · 6,022 · 1023 (mol-1) = 96 487 (C mol-1) Ag+(aq) + e¯→ Ag(s): 1 mol elektrona Q=6,022·1023·1,602·10¯19(C) izluči 1 mol Ag= 107,9 (g) 2Ag+(aq) + 2e¯→ 2Ag(s): 2 mola elektrona izluči duplo više srebra MMFK: elektrokemija/26

  25. Drugi Faraday-ev zakon elektrolize Ako se jednake količine naboja Q1 = Q2 primijene kod elektrolize različitih tvari, tada je omjer masa izlučenih tvari m1 : m2 = M1 / z1 : M2 / z2 jednak omjeru EKVIVALENTNIH masa tih tvari. Ekvivalentne mase različitih spojeva su one količine tih spojeva koje u potpunosti reagiraju prema jednačbi kemijske reakcije. MMFK: elektrokemija/26

  26. Ilustracija drugog Faraday-evog zakona elektrolize + - e- - + - + - + e- e- e- 1,0 M Au3+ 1,0 M Zn2+ 1,0 M Ag+ Au3+ + 3e-→ Au Zn2+ + 2e-→ Zn Ag+ + e-→ Ag Zbog različitih naboja iona potrebno je 3,2,1 mol elektrona da bi se izlučio 1 mol metala Au, Zn, Ag. Ekvivalentne mase Au:Zn:Ag odnose se 3:2:1 MMFK: elektrokemija/26

More Related