ש.מ. חימצון-חיזור

1. ש.מ. חימצון-חיזור

2. בתגובות חימצון חיזור - יש מעבר אלקטרונים. יש שינוי בדרגות חימצון. נתונות שתי תגובות המתרחשות באופן ספונטני: I Cu(s) + 2Ag+(aq) -----> 2Ag(s) + Cu2+(aq) II Zn(s) + Cu2+(aq)-------> Zn2+(aq) + Cu(s) מכך נובעת הפיכות תגובת האלקטרוד - Cu2+/Cu III Cu2+(aq)+ 2e- <====> Cu(s) תגובות אלקטרוד היא תגובת חימצון או חיזור בלבד. זוהי תגובת שיווי משקל. חל עליה עקרון לה-שטליה. גם על תוספת או הוצאת אלקטרונים.

3. תגובת חימצון חיזור היא סכום של שתי תגובות אלקטרוד. לדוגמא- תגובה I היא סכום של שתי תגובות האלקטרוד: Cu(s) -----> Cu2+(aq) + 2e- 2Ag+(aq) + 2e- -----> 2Ag(s) 2Ag+(aq) + Cu(s) -----> Cu2+(aq) + 2Ag(s) מצאנו שניתן לדרג באופן איכותי את המתכות לפי הנטייה למסור אלקטרונים (לעבור חימצון, לחזר): Mg > Zn > Fe > Pb > H2 > Cu > Ag ואת יוני המתכות הממוימים לפי הנטייה לקבל אלקטרונים (לעבור חיזור, לחמצן): Ag+ > Cu2+ > H3O+ > Pb2+ > Fe2+> Zn2+ > Mg2+

4. מהשורה האלקטרוכימית ניתן ללמוד כי תגובת החיזור של יוני הכסף נוטה להתרחש יותר מתגובת החיזור של יוני הנחושת. Ag+(aq)+ e- <==> Ag(s) Cu2+(aq)+ 2e- <==> Cu(s) פוטנציאל חיזור • הוא המדד הכמותי לנטייה של מחמצן לקבל אלקטרונים, נמדד ביחידות וולט- מתח. • במקרה של מתכת זהו הפרש המתח בין יוני המתכת המומסים למתכת המוצקה. • פוטנציאל החיזור אינו ניתן למדידה ישירה. רק בתא חשמלי.

5. e- e- תא חשמלי - אלקטרוכימי Zn V Cu אנודה חימצון קטודה חיזור X-אניונים גשר מלח X+קטיונים CuSO4 ZnSO4 1M 1M Zn(s)---> Zn2+(aq)+ 2e- Cu2+(aq)+ 2e- ---> Cu(s) Zn / Zn2+ // Cu2+ / Cu סימון תא מקוצר-

6. Zn / Zn2+ // Cu2+ / Cu הסבר פעולתו של התא - נטיית יוני הנחושת לקבל אלקטרונים גבוהה מנטיית יוני האבץ. משיכתם את האלקטרונים חזקה יותר. לכן תתרחש זרימת אלקטרונים מתא האבץ, דרך החוט המוליך, לתא הנחושת. אלקטרודת האבץ תתפרק ליונים, האלקטרונים יעברו דרך החוט ליוני הנחושת בתמיסה. תשקע נחושת ניטרלית. תפקיד גשר המלח - לאפשר סגירת מעגל הזרם החשמלי ע”י זרימה של יונים ממוימים. ליד אלקטרודת האבץ נוצר עודף מטען חיובי וליד אלקטרודת הנחושת חוסר מטען חיובי (עודף מטען שלילי ). היונים ינועו דרך גשר המלח בהתאם לשדה החשמלי שיווצר, לאיזון המטען.

7. שטח הפנים של אלקטרודה

8. מדוע זורמים האלקטרונים ממתכת אחת לשניה ? מתכת בשיווי משקל עם יוני מתכת בתמיסה אלקטרודת מתכת- גלעינים חיוביים בענן אלקטרונים. יוני מתכת ממוימים שעזבו את האלקטרודה ללא אלקטרונים + + + +

9. הסבר נוסף • כשפס המתכת מוכנס למים מספר מסוים של גלעינים חיוביים משטח הפנים עובר למים. האלקטרונים נשארים על האלקטרודה. מושג שיווי משקל. • ככל שהמתכת מחזרת טובה יותר יעברו יותר גלעינים לתמיסה ויותר אלקטרונים עודפים יישארו על האלקטרודה. • בחיבור שני חצאי תא עם חוט מוליך תתחיל זרימה של אלקטרונים מהאלקטרודה היותר שלילית לפחות שלילית. • יוני המתכת המחמצנים הטובים יותר (בחצי התא אליו זרמו האלקט’), ימשכו אלקטרונים מהאלקטרודה ויגרמו לזרם להמשיך לזרום. • המעגל ייסגר ע”י זרימת היונים בגשר המלח.

10. המתח הנמדד בתא אלקטרוכימי • V - המתח הנמדד בתא אלקטרוכימי, שווה בקרוב להפרש בין פוטנציאלי החיזור של שני יוני המתכות הממוימים. • כא”מ - E - הכוח האלקטרומניע של תא. זהו המתח בין הדקי התא ללא זרימת זרם. הוא שווה בדיוק להפרש בין פוטנציאלי החיזור של יוני המתכות. • V - המתח הנמדד נמוך מהכא”מ בגלל מפל מתח פנימי של המכשיר המודד.

11. חצי תא מימן H3O+ 1M אלקטרודת Pt E0 - פוטנציאל חיזור ומדידתו • המדידה מתבצעת בתא חשמלי עם מערכת יחוס תיקנית. • מערכת הייחוס התיקנית היא חצי תא מימן. • 2H3O+(aq)+2e- <=> H2(g)+2H2O(l) • E0 = 0 • ריכוז יוני ההידרוניום בתא תיקני 1 מולר, לחץ גז המימן 1 אטמ’ והטמפ’ 250. • מחברים חצאי תאים שונים לחצי תא מימן. • E0חיובי כאשר יוני המתכת מחמצנים חזקים מיוני הידרוניום. E0שלילי כשיוניההידרוניוםמחמצנים טובים יותר. H2(g)

12. E e- 2.37 0.8 Mg Ag Ag+ + e ---> Ag 0.8 H2(g) Cu2+ + 2e --->Cu 0.34 H3O+ 1M 2H3O+ +2e --> H2 + 2H2O 0 Ag+ Mg2+ Zn2+ + 2e ---> Zn 0.76- 2.37+0.8 = 3.17 Mg2+ + 2e ---> Mg 2.37- דוגמא - מדידת פוטנציאל החיזור של יוני כסף ומגנזיום.

13. חישוב E של תא חשמלי חישובהכא”מ יעשה ע”י חיבורהכא”מ של תגובותהאלקטרודבכיוון המתאים. היפוך תגובתאלקטרודיביא להיפוך הסימן שלהכא”מ. הכפלת האיזון לא משנה אתהכא”מ - התאים תמידתיקניים (ריכוז 1מולר) דוגמא - Zn(s)----> Zn2+(aq)+ 2e- Eo = 0.76V 2Ag+(aq)+ 2e- ---> 2Ag(s) Eo = 0.8V םE לא הוכפל למרות שהאיזון כן הוכפל Zn(s) + 2Ag2+-----> Zn2+(aq)+ 2Ag(s) Eo = 1.56V

14. Cu2+(aq)/ Cu(s) 0.34 0 E = 0 E Zn2+(aq)/ Zn(s) 0.76- כיצד משתנה מתח התא לאחר שהתא החל לפעול ? במהלך הזמן מתח התא הולך וקטן עד להתאפסות. E =0 במצב שיווי משקל. דוגמא - תא אבץ נחושת Eo Eo = 0.34 + 0.76 = 1.1V בחצי תא הנחושת - יורד ריכוז יוני הנחושת ולכן פוטנציאל החיזור קטן. בחצי תא האבץ - עולה ריכוז יוני האבץ לכן פוטנציאל החיזור שלהם עולה. ההפרש בין פוטנציאלי החיזור- קטן!!!

15. שיווי משקל הטרוגני שיווי משקל הטרוגני - שיווי משקל בו מרכיבי המערכת מצויים במצבי צבירה שונים. דוגמא - 2Ag+(aq)+ Cu(s) <===> 2Ag(s) + Cu(s) במקרה הנ”ל חלק ממרכיבי המערכת מומסים במים וחלק אחר הם מוצקים. הוספת מוצק למערכת זו לא מהווה הפרה לשיווי המשקל כי תוספת מוצק לא משנה את ריכוזו. הוספת אחד היונים המומסים כן תהווה הפרה לשיווי המשקל ולכן המערכת תיטה בהתאם לעיקרון לה שטליה.

16. חצי תא מימן חצי תא כלור חצי תא Fe2+/Fe3+ H2(g) Cl2(g) H3O+ 1M Cl- 1M Fe2+(aq) Fe3+(aq) 1M אלקטרודת Pt אלקטרודת Pt אלקטרודת Pt חצאי תאים עם אלקטרודת Pt כאשר חצי תא מורכב מחזמר שאינו מתכת לא ניתן ליצור ממנו את האלקטרודה. (חומר הבונה את האלקטרודה חייב להיות מוצק מוליך חשמל). אז ניתן להשתמש באלקטרודת פלטינה - Pt (ממתכת אצילה) ולהכניס את מרכיבי המערכת כך שיבואו עמה במגע. דוגמאות

17. חיזוי התרחשות תגובות לפי E מחשבים את Eoלתגובת חימצון חיזור לפי פוטנציאלי החיזור של תגובות האלקטרוד. Eo - חיובי - התגובה תתרחש. Eo - שלילי - התגובה לא תתרחש. דוגמא: האם מותר לשמור תמיסת יוני נחושת בכלי עשוי אבץ (בתנאי תקן) ? צריך לבדוק האם תתרחש בכלי התגובה: Zn(s) + Cu2+(aq) ----> Zn2+(aq) + Cu(s) Eo = 0.34 + 0.76 = 1.1V מאחר ש- Eo>0 התגובה תתרחש ולכן אסור

18. ניתן להשתמש בתגובות אלקטרוד המנוסחות בספר הנתונים לאיזון משוואות חימצון חיזור. מחברים את תגובות האלקטרוד בכיוון המתאים אחרי הכפלתן כך שמספר האלקטרונים שנמסרו יהיה שווה למספר האלקטרונים שהתקבלו. (מצמצמים את האלקטרונים ואת החלקיקים האחרים הזהים שמופיעים משני צידי המשואה)

19. Ag(s) Ag+(aq) השפעת הריכוז על E נתונה תגובת האלקטרוד: Ag+(aq)+ e - <===> Ag(s) Eo = 0.8 V כיצד תשפיע הוספת יוני כסף על פוטנציאל חצי התא ? לפי עקרון לה שטליה, הוספת יוני כסף תגרום לתגובה לסטות לתוצרים - E יגדל. הוספת כסף מוצקלא תגרום לשינוי כי ריכוז המוצק לא משתנה בעקבות ההוספה.

20. Zn / Zn2+ // Cu2+ / Cu נתון התא: מתח התא כאשר: ב. ריכוז יוני הנחושת בחצי תא הנחושת גדול מ- 1 מולר. א. ריכוז יוני האבץ בחצי תא האבץ גדול מ- 1 מולר. מתח מתח Cu2+/Cu Cu2+/Cu 1M Cu2+/Cu 1M E E Eo Eo Zn2+/Zn Zn2+/Zn 1M Zn2+/Zn 1M E > Eo E < Eo

21. Ag Cu Ag+ Cu2++ שינויים המופעלים על תא חשמלי תיקני א. לפני סגירת המעגל - האם המתח שימדד יהיה נמוך או גבוה מהמתח התקיני ? מדוע? ב. אחרי הגעתו לשיווי- משקל, האם תהיה הפרעה לשיווי-משקל? מדוע? אם כן, לאיזה כיוון יזרום הזרם? מה יקרה בתא, כיצד ישתנה המתח הנמדדכאשר נוסיף: 1. נחושת חנקתית לחצי תא הנחושת, לחצי תא הכסף. 2. כסף חנקתי לחצי תא הנחושת, לחצי תא הכסף. 3. כסף מוצק או נחושת מוצקה לכל אחד מחצאי התא. 4. נתרן כלורי לחצי תא הכסף. תא כסף נחושת 2Ag+(aq)+ Cu(s) <=> 2Ag(s)+ Cu(s)