Co to jest elektrochemia?

Transkrypt

1 Co to jest elektrocheia? Dział cheii zajujący się reakcjai cheicznyi, który towarzyszy przeniesienie ładunku elektrycznego. Autoatycznie towarzyszą teu takie zjawiska, jak: Przepływ prądu elektrycznego, Powstawanie gradientu potencjału elektrycznego (napięcia) Groadzenie się ładunku elektrycznego (pojeność elektryczna) jak i wszystkie noralne skutki reakcji cheicznych (wydzielanie bądź pochłanianie ciepła i pracy, ziany stężeń, powstawanie gradientów stężeń, itd.). Che. Fiz. TCH II/13 1 1

2 Co to jest elektrocheia? (2) Zjawiska te ogą występować jako skutki reakcji saorzutnych, bądź zostać wyuszone. Wielkości będące iarą tych zjawisk (natężenie prądu, potencjał lub napięcie, ładunek, pojeność) ogą być skutkai lub przyczynai (zienną niezależną lub zależną) w eksperyentach elektrocheicznych. Jeżeli za dodatkową zienną (zawsze niezależną) przyjiey czas, to właściwie doświadczenia elektrocheiczne ogą być uważane za poiary w dziedzinach (i, V, t). Jak zobaczyy różne kobinacje tych ziennych dają całą gaę technik elektrocheicznych Che. Fiz. TCH II/13 2 2

3 Co to jest elektrocheia?(3) Przewodnik I rodzaju, Przewodnik II rodzaju Przejście przez granicę faz? Che. Fiz. TCH II/13 3 Prąd w etalu to uporządkowany ruch elektronów (przewodniki I rodzaju), w elektrolicie to ruch jonów (przewodniki II rodzaju). Jakieu zjawisku zawdzięczay przejście prądu przez granicę faz etal roztwór? 3

4 Co to jest elektrocheia?(4) Konwencjonalna reakcja cheiczna Cu 2+ + Zn = Zn 2+ + Cu reakcja redoks pokryta blaszkacu Zn Zn jest reduktore Cu 2+ jest utleniacze roztwór CuSO Zn 4 Che. Fiz. TCH II/13 4 4

5 Proces elektrocheiczny elektrony klucz elektrolityczny roztwór ZnSO 4 blaszka Zn roztwór CuSO 4 blaszka Cu Anoda( ): Zn =Zn e Katoda(+): Cu e =Cu Łącznie: Cu 2+ + Zn = Zn 2+ + Cu Che. Fiz. TCH II/13 5 Ogniwo Daniella 5

6 Działy elektrocheii Jonika (zjawiska w elektrolicie) Elektrodyka (zjawiska na granicy faz) Terodynaika elektrocheiczna (układy równowagowe) Kinetyka elektrocheiczna (układy, w których reakcje elektrodowe zachodzą) Technologia elektrocheiczna, w ty np. elektrosynteza Che. Fiz. TCH II/13 6 6

7 Rodzaje elektrolitów Elektrolity ciekłe, w ty: oparte na rozpuszczalnikach sprzyjających dysocjacji (najczęściej wodne) i do nich się zasadniczo ograniczyy sole stopione Elektrolity stałe (często o ieszany echanizie przewodzenia), w ty poliery przewodzące, półprzewodniki Che. Fiz. TCH II/13 7 7

8 Przewodnictwo elektrolitów R1 R2 R3 W stanie zrównoważenia: R 1 = R R R 2 3 R Che. Fiz. TCH II/13 8 Dlaczego AC? Dlaczego ta zienna pojeność w ostku? 8

9 Przewodnictwo elektrolitów (2) Rezystancja (opór bierny) dana jest wzore (II prawo Oha): R Konduktancja (przewodnictwo): G 1 = R s = κ l Stała naczyńka poiarowego (konduktoetrycznego): l = ρ s 1 κ = = kg = ρ k = k R Che. Fiz. TCH II/13 9 l s Uwaga na jednostki! 9

10 Przewodnictwo elektrolitów (3) Typowe wartości przewodnictwa właściwego (konduktywności): Dla etali: Dla elektrolitów wodnych: rzędu od 1 8 S/ do 1 6 S/ od 1 6 S/c do 1 4 S/c rzędu od 1-4 do 1 S/ od 1-6 do 1-2 S/c Wzorzec do wyznaczania stałej naczyńka: KCl, jego roztwór o stężeniu np.,1 a przewodnictwo,14823 S -1 w teperaturze 298,15K. Che. Fiz. TCH II/13 1 Uwaga na jednostki! KCl -łatwość oczyszczania przez rekrystalizację 1

11 Przewodnictwo elektrolitów (4) Przewodnictwo olowe (dawniej zwane równoważnikowy). ściśle SI: Ze względu na to, że ole różnych substancji ogą przenosić różne ładunki, aby jednoznacznie określić ole czego ay na yśli, powinniśy to wskazywać w indeksie. praktycznie: κ = c 1κ = c Che. Fiz. TCH II/13 11 Uwaga na jednostki! 11

12 Ruch jonów w roztworze Szybkość ruchu jonu i: v i = u i E Natężenie pola elektrycznego E: Ruchliwość jonu i dla z i =1: U E = l u i λi = F Che. Fiz. TCH II/13 12 W ruchliwości jonu odrywają rolę: jego ładunek, proień, lepkość rozpuszczalnika (zate i teperatura). F stała Faradaya (!!!) w dostateczny przybliżeniu 965 C. 12

13 Przewodnictwo elektrolitów (5) Prawo Kohlrauscha: = v λ v λ = Κc 1/ 2 Dla przewodnictwa granicznego obowiązuje prawo niezależnej wędrówki jonów: dla elektrolitu 1:1 KCl Kohlrausch zauważył bowie, że: KBr = NaCl NaBr = LiCl = λ + + LiBr λ... Che. Fiz. TCH II/13 13 K zależy bardziej od stechioetrii jonu niż od jego konkretnego rodzaju Spróbujcie państwo zapisać sobie podobny szereg dla pary kationów i różnych anionów 13

14 Przewodnictwo elektrolitów (6) Prawo rozcieńczeń Ostwalda: 1 1 = + c K ( ) a 2 dla elektrolitów słabych, gdzie K a jest stałą dysocjacji Można z tego wyznaczać przewodnictwo graniczne odkładając odwrotność przewodnictwa olowego względe jego iloczynu razy stężenie. Che. Fiz. TCH II/

15 Przewodnictwo elektrolitów (7) Przewodnictwo roztworów elektrolitów zawierających kilka związków: κ = zależność ta jest słuszna zawsze. c λ i i 1 Prawo niezależnego ruchu jonów używay też (co wprowadza pewien błąd) dla skończonych stężeń. Che. Fiz. TCH II/13 15 Czase zaiast sybolu dla nieskończonego rozcieńczenia stosujey sybol 15

16 Liczby przenoszenia Liczba przenoszenia danego jonu jest ułakie całego ładunku przenoszonego przez elektrolit, jaki przypada na dany jon. Liczba przenoszenia danego jonu jest stosunkie ładunku przenoszonego przez dany jon do ładunku przenoszonego przez cały elektrolit. Jeżeli w roztworze jest tylko jedna substancja zdysocjowana (wodę poijay), to: przeciwnie: t + t + =1 q+ t = ; t = + q q q i t i =1 Che. Fiz. TCH II/

17 Liczby przenoszenia (2) Dla roztworu elektrolitu zawierającego tylko jedną substancję rozpuszczoną (poijając wodę): t λ+ ; λ = = t + Dla roztworu elektrolitu zawierającego kilka substancji. t i = κ i κ i Che. Fiz. TCH II/