Elektrochemia. Jak pozyskać energię z reakcji redoksowych?



Podobne dokumenty
Jak pozyskać energię z reakcji redoksowych? Ogniwa galwaniczne

ELEKTRODY i OGNIWA. Elektrody I rodzaju - elektrody odwracalne wzgl dem kationu; metal zanurzony w elektrolicie zawieraj cym jony tego metalu.

Fe +III. Fe +II. elektroda powierzchnia metalu (lub innego przewodnika), na której zachodzi reakcja wymiany ładunku (utleniania, bądź redukcji)

ELEKTROCHEMIA. III. Przewodnictwo jonowe

Elektrochemia. (opracowanie: Barbara Krajewska)

Wykład z Chemii Ogólnej i Nieorganicznej

Karta pracy III/1a Elektrochemia: ogniwa galwaniczne

OGNIWA GALWANICZNE I SZREG NAPIĘCIOWY METALI ELEKTROCHEMIA

Elektrochemia. Reakcje redoks (utlenienia-redukcji) Stopień utlenienia

Elementy Elektrochemii

PODSTAWY KOROZJI ELEKTROCHEMICZNEJ

Reakcje redoks polegają na przenoszeniu (wymianie) elektronów pomiędzy atomami.

TŻ Wykład 9-10 I 2018

Al 2 O 3 anodowe utlenianie folii Al. TiO 2 nanotubes deliver drugs HRSEM nanotechweb.org. a. kotarba Zakład Chemii Nieorganicznej

ELEKTROCHEMIA. Podstawy

Elektrochemia. potencjały elektrodowe. Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.2 / 1. Elektrochemia potencjały elektrochemiczne

K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Pt, Au

Cel ogólny lekcji: Omówienie ogniwa jako źródła prądu oraz zapoznanie z budową ogniwa Daniella.

KRYTERIA OCENIANIA ODPOWIEDZI Próbna Matura z OPERONEM. Chemia Poziom rozszerzony

Podstawy elektrochemii i korozji

Elektrochemia - prawa elektrolizy Faraday a. Zadania

Problemy do samodzielnego rozwiązania

Reakcje redoks polegają na przenoszeniu (wymianie) elektronów pomiędzy atomami.

ELEKTROCHEMIA. Wykład I

PODSTAWY PROCESÓW ELEKTROCHEMICZNYCH

Materiały elektrodowe

Elektrochemia - szereg elektrochemiczny metali. Zadania

PIERWIASTKI W UKŁADZIE OKRESOWYM

Podstawowe pojęcia 1

ELEKTROCHEMIA CIAŁA STAŁEGO

Materiały do zajęć dokształcających z chemii nieorganicznej i fizycznej. Część V

10. OGNIWA GALWANICZNE

BIOTECHNOLOGIA. Materiały do ćwiczeń rachunkowych z chemii fizycznej kinetyka chemiczna, 2014/15

10. OGNIWA GALWANICZNE

Ogniwa galwaniczne. Chem. Fiz. TCH II/15 1

2. REAKCJE UTLENIANIA I REDUKCJI

1. za pomocą pomiaru SEM (siła elektromotoryczna róŝnica potencjałów dwóch elektrod) i na podstawie wzoru wyznaczenie stęŝenia,

I 2 + H 2 S 2 HI + S Wielkością charakteryzującą właściwości redoksowe jest potencjał redoksowy E dany wzorem Nernsta. red

Lekcja 15. Temat: Prąd elektryczny w róŝnych środowiskach.

wykład 6 elektorochemia

(1) Przewodnictwo roztworów elektrolitów

Oczekiwana odpowiedź. Magnetyczna liczba kwantowa m

Ogniwa galwaniczne. Chem. Fiz. TCH II/15 1

Schemat ogniwa:... Równanie reakcji:...

ĆWICZENIE 10. Szereg napięciowy metali

MA M + + A - K S, s M + + A - MA

POWTÓRKA Z ELEKTROCHEMII

Kationy grupa analityczna I

Przetwarzanie energii: kondensatory

ELEKTROGRAWIMETRIA. Zalety: - nie trzeba strącać, płukać, sączyć i ważyć; - osad czystszy. Wady: mnożnik analityczny F = 1.

MODEL ODPOWIEDZI I SCHEMAT OCENIANIA ARKUSZA EGZAMINACYJNEGO 2006

8. Prąd elektryczny (pogrubione zadania rozwiązane w skrypcie) ma ma opór wewnętrzny R 5 w

SZEREG NAPIĘCIOWY METALI OGNIWA GALWANICZNE

Reakcje utleniania i redukcji

Fragmenty Działu 8 z Tomu 1 PODSTAWY ELEKTROCHEMII

Reakcje utleniania i redukcji

Ćwiczenie nr 3 Korozja i procesy elektrochemiczne

Stechiometria równań reakcji chemicznych, objętość gazów w warunkach odmiennych od warunków normalnych (0 o C 273K, 273hPa)

TEST Systematyka związków nieorganicznych; Wersja A

Nazwy pierwiastków: ...

Reakcje chemiczne. Typ reakcji Schemat Przykłady Reakcja syntezy

SZEREG NAPIĘCIOWY METALI OGNIWA GALWANICZNE

Przykładowe rozwiązania zadań obliczeniowych

Fragmenty Działu 7 z Tomu 1 REAKCJE UTLENIANIA I REDUKCJI

Reakcje utleniania i redukcji. Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

Stechiometria w roztworach

ELEKTRODY i OGNIWA. Elektrody I rodzaju - elektrody odwracalne względem kationu; metal zanurzony w elektrolicie zawierającym jony tego metalu.

Elektrochemia. 2 Mg (s) + O 2 (g) 2MgO (s)

IV A. Reakcje utleniania i redukcji. Metale i niemetale

IV. Reakcje utleniania i redukcji. Metale i niemetale

PODSTAWOWE ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Inne koncepcje wiązań chemicznych. 1. Jak przewidywac strukturę cząsteczki? 2. Co to jest wiązanie? 3. Jakie są rodzaje wiązań?

Chemia I Semestr I (1 )

Przetwarzanie energii: kondensatory

Ogniwa elektrochemiczne wprowadzenie Klasyfikacja półogniw Termodynamika ogniwa galwanicznego; równanie Nernsta

Ogniwa galwaniczne. Elektrolizery. Rafinacja. Elektroosadzanie.

TYPY REAKCJI CHEMICZNYCH

Kuratorium Oświaty w Lublinie

Wiązania. w świetle teorii kwantów fenomenologicznie

Chemia nieorganiczna. Copyright 2000 by Harcourt, Inc. All rights reserved.

ELEKTROCHEMIA ZAKŁAD CHEMII MEDYCZNEJ POMORSKI UNIWERSYTET MEDYCZNY

Elektrochemia. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Stechiometria w roztworach. Woda jako rozpuszczalnik

Reakcje chemiczne, związki kompleksowe

Chemia nieorganiczna. Pierwiastki. niemetale Be. 27 Co. 28 Ni. 26 Fe. 29 Cu. 45 Rh. 44 Ru. 47 Ag. 46 Pd. 78 Pt. 76 Os.

Elektrolity wykazują przewodnictwo jonowe Elektrolity ciekłe substancje rozpadające się w roztworze na jony

Tlen. Występowanie i odmiany alotropowe Otrzymywanie tlenu Właściwości fizyczne i chemiczne Związki tlenu tlenki, nadtlenki i ponadtlenki

Ćwiczenie III: WYZNACZENIE ENTALPII SWOBODNEJ, ENTALPII I ENTROPII REAKCJI W OGNIWIE CLARKA

PODSTAWY OBLICZEŃ CHEMICZNYCH DLA MECHANIKÓW

a) Sole kwasu chlorowodorowego (solnego) to... b) Sole kwasu siarkowego (VI) to... c) Sole kwasu azotowego (V) to... d) Sole kwasu węglowego to...

ODPOWIEDZI I SCHEMAT PUNKTOWANIA POZIOM ROZSZERZONY

ET AAS 1 - pierwiastkowa, GW ppb. ICP OES n - pierwiastkowa, GW ppm n - pierwiastkowa, GW <ppb

MODEL ODPOWIEDZI I SCHEMAT OCENIANIA ARKUSZA EGZAMINACYJNEGO 2006

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

Elektrochemia elektroliza. Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 1

Główne zagadnienia: - mol, stechiometria reakcji, pisanie równań reakcji w sposób jonowy - stężenia, przygotowywanie roztworów - ph - reakcje redoks

Chemia Wydział SiMR, kierunek IPEiH I rok I stopnia studiów, semestr I. Chemia nieorganiczna. Stopień utlenienia. Stopień utlenienia.

Elektroliza: polaryzacja elektrod, nadnapięcie Jakościowy oraz ilościowy opis elektrolizy. Prawa Faraday a

Zn + S ZnS Utleniacz:... Reduktor:...

REAKCJE CHEMICZNE I ICH PRZEBIEG

Transkrypt:

Elektrochemia Jak pozyskać energię z reakcji redoksowych? 1

Ogniwo galwaniczne to urządzenie, w którym wytwarzany jest prąd elektryczny strumień elektronów w przewodniku dzięki przebiegowi samorzutnej reakcji chemicznej. Składa się z dwóch elektrod, czyli metalicznych przewodników, które pozostają w kontakcie z elektrolitem, czyli przewodnikiem jonowym. 2

Jak zbudować ogniwo? reakcja całkowita 8H + + MnO 4 + 5Fe 2+ Mn 2+ + 5Fe 3+ + 4H 2 O redukcja: utlenianie: 5Fe 8H + + MnO 4 + 5e Mn 2+ + 4H 2 O 5Fe 2+ 5Fe 3+ + 5e 3

Jak zbudować ogniwo? e Czy popłynie prąd? (-) (+) redukcja MnO 4 Η + Fe 2+ utlenianie KMnO 4 H 2 SO 4 FeSO 4 4

Jak zbudować ogniwo? e aniony kationy (-) (+) redukcja MnO 4 Η + Fe 2+ utlenianie KMnO 4 H 2 SO 4 FeSO 4 5

Co to jest siła elektromotoryczna ogniwa (SEM)? elektrony anoda katoda Siła elektromotoryczna ogniwa (napięcie ogniwa), SEM, jest miarą zdolności reakcji ogniwa do spowodowania przepływu elektronów przez obwód utlenianie redukcja 6

Oznaczenia ogniwo Daniella zapis ogniwa Cu 2+ + Zn Cu + Zn 2+ redukcja: Cu 2+ + 2e Cu utlenianie: Zn Zn 2+ + 2e Zn(s) Zn 2+ (aq) oraz Cu 2+ (aq) Cu(s) substrat produkt zetknięcie faz Zn(s) Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) Cu(s) Elektrochemia_ogniwo.MOV 7

Jak zmierzyć napięcie ogniwa? Cu 2+ + Zn Cu + Zn 2+ redukcja: Cu 2+ + 2e Cu utlenianie: Zn Zn 2+ + 2e 17_363 e e Zn e Cu e zmierzone SEM= 1.10 V Zn( s) utlenianie Zn 2+ SO 4 2 1.0 M Zn 2+ ZnSO 4 CuSO 4 Anoda Cu 2+ SO 4 2 1.0 M Cu 2+ Katoda Cu( s) 8 redukcja

Jak obliczyć napięcie ogniwa? potencjały standardowe półogniw elektroda wodorowa redukcja: Cu 2+ + 2e Cu utlenianie: Zn Zn 2+ + 2e 9

Jak obliczyć napięcie ogniwa? elektroda wodorowa H + (aq) H 2 (g) Pt(s) Jeśli działa jako katoda redukują się jony H + Pt (s) H 2 (g) H + (aq) Jeśli działa jako anoda H 2 zostaje utlenione H + 1 mol/dm 3 HCl p H2 = 1013 hpa E H2 = O V 10

Jak obliczyć napięcie ogniwa? potencjały standardowe półogniw 2H + + Zn H 2 + Zn 2+ utlenianie: Zn Zn 2+ + 2e redukcja: 2H + + 2e H 2 17_363 e 0.76 e e e H 2 SEM o o o = E = E + E + 2+ H H2 Zn Zn 0.76V = 0V + 0.76V Zn( s) Zn 2+ SO 4 2 1.0 M H + Cl - Pt s) 1.0 M Anoda Katoda 11

Jak obliczyć napięcie ogniwa? potencjały standardowe półogniw H 2 + Cu 2+ 2H + + Cu utlenianie: H 2 2H + + 2e redukcja: Cu 2+ + 2e Cu 17_363 e 0.34 e e e H 2 SEM o o o = E = E + E 2+ + Cu Cu 0.34V = 0.34V + 0V H2 H s Pt H + Cl - 1.0 M Cu 2+ SO 4 2-1.0 M Cu (s) Anoda Katoda 12

Jak obliczyć napięcie ogniwa? potencjały standardowe półogniw Cu 2+ + Zn Cu + Zn 2+ redukcja: Cu 2+ + 2e Cu utlenianie: Zn Zn 2+ + 2e SEM o o o = E = E + E 2+ 2+ 1.10V Cu Cu Zn Zn = 0.34V + 0.76V 17_363 Zn( s) Zn e utlenianie zmierzone SEM= 1.10 V e e Zn 2+ SO 4 2 1.0 M Zn 2+ ZnSO 4 CuSO 4 Anoda Cu 2+ SO 4 2 Cu 1.0 M Cu 2+ Katoda e Cu( s) 13 redukcja

17_01T Table 17.1 Standard Reduction Potentials at 25 C (298 K) for Many Common Half-reactions Half-reaction ξ (V) Half-reaction potencjały y standardowe F 2 + 2e 2F Ag 2+ + e Ag + Co 3+ + e Co 2+ H 2 O 2 + 2H + + 2e 2H 2 O Ce 4+ + e Ce 3+ PbO 2 + 4H + + SO 4 2 + 2e PbSO 4 + 2H 2 O MnO 4 + 4H + + 3e MnO 2 + 2H 2 O 2e + 2H + + IO 4 IO 3 + H 2 O MnO 4 + 8H + + 5e Mn 2+ + 4H 2 O Au 3+ + 3e Au PbO 2 + 4H + + 2e Pb 2+ + 2H 2 O Cl 2 + 2e 2Cl Cr 2 O 7 2 + 14H + + 6e 2Cr 3+ + 7H 2 O O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O MnO 2 + 4H + + 2e Mn 2+ + 2H 2 O IO 3 + 6H + + 5e ½I 2 + 3H 2 O Br 2 + 2e 2Br VO 2 + 2H + + e VO 2+ + H 2 O AuCl 4 + 3e Au + 4Cl NO 3 + 4H + + 3e NO + 2H 2 O ClO 2 + e ClO 2 2Hg 2+ + 2e Hg 2 2+ Ag + + e Ag Hg 2 2+ + 2e 2Hg + Fe 3+ + e Fe 2+ O 2 + 2H + + 2e H 2 O 2 ξ (V) 2.87 O 2 + 2H 2 O + 4e 4HO 0.40 1.99 Cu 2+ + 2e Cu 0.34 1.82 Hg 2 Cl 2 + 2e 2Hg + 2Cl 0.34 1.78 AgCl + e Ag + Cl 0.22 1.70 SO 2 4 + 4H + + 2e H 2 SO 3 + H 2 SO 3 + H 2 O 0.20 1.69 Cu 2+ + e Cu + 0.16 1.68 2H + + 2e H 2 0.00 1.60 Fe 3+ + 3e Fe 0.036 1.51 Pb 2+ + 2e Pb 0.13 1.50 Sn 2+ + 2e Sn 0.14 1.46 Ni 2+ + 2e Ni 0.23 1.36 PbSO 4 + 2e 2 Pb + SO 4 0.35 1.33 Cd 2+ + 2e Cd 0.40 1.23 Fe 2+ + 2e Fe 0.44 1.21 Cr 3+ + e Cr 2+ 0.50 1.20 Cr 3+ + 3e Cr 0.73 1.09 Zn 2+ + 2e Zn 0.76 1.00 2H 2 O + 2e H 2 + 2OH 0.83 0.99 Mn 2+ + 2e Mn 1.18 0.96 Al 3+ + 3e Al 1.66 0.954 H 2 + 2e 2H 2.23 0.91 Mg 2+ + 2e Mg 2.37 0.80 La 3+ + 3e La 2.37 0.80 Na + + e Na 2.71 0.77 Ca 2+ + 2e Ca 2.76 0.68 Ba 2+ + 2e Ba 2.90 MnO 4 + e 2 MnO 4 0.56 K + + e K 2.92 I 2 + 2e 2I 0.54 Li + + e Li 3.05 Cu + + e Cu 0.52 14

Jak obliczyć napięcie ogniwa? potencjały standardowe półogniw jedna z reakcji musi być odwrócona zmiana znaku E o bilans elektronów nie zmienia wartości E o SEM>0 E Ө > 0 metal szlachetny E Ө < 0 metal zwykły E Ө = 0 standardowa elektroda wodorowa 15

Jak obliczyć napięcie ogniwa? Przykład 1 Ogniwo galwaniczne jest oparte na następującej reakcji: Al 3+ (aq) + Mg(s) Al(s) + Mg 2+ (aq) Podaj zbilansowane równanie reakcji połówkowych w ogniwie oraz oblicz potencjał standardowy ogniwa (SEM). Z szeregu napięciowego (dla reakcji redukcji): Al 3+ + 3e Al E o = -1.66V Mg 2+ + 2e Mg E o = -2.37V redukcja: 2Al 3+ + 6e 2Al utlenianie: 3Mg 3Mg 2+ + 6e 2Al 3+ + 3Mg 2Al + 3Mg 2+ E o = -1.66V katoda E o = 2.37V anoda SEM = -1.66V+2.37V=0.71V>0 16

Samorzutność reakcji redoksowej Kiedy zachodzi reakcja w ogniwie? termodynamika w ogniwach zmiana konwencji SEM = E = W q J C E potencjał półogniwa, V W praca, J Q całkowity ładunek elektronów, C W = q E max 17

Samorzutność reakcji redoksowej Kiedy zachodzi reakcja w ogniwie? termodynamika w ogniwach zmiana konwencji W = q E max max q = n F F = 96485 n liczba moli elektronów, mol q całkowity ładunek elektronów, C F stała Faradaya, C/mol C mol ładunek mola elektronów 18

Samorzutność reakcji redoksowej Kiedy zachodzi reakcja w ogniwie? termodynamika w ogniwach zmiana konwencji W = G max G = nf E max G < 0 E > 0 SEM > max 019

Samorzutność reakcji redoksowej Jak obliczyć napięcie ogniwa? równanie Nernsta G G Q równoważnik reakcji = nf = G o E max + RT ln Q aa + bb cc + dd Q [ A] [ B] = E = E o ln Q [ C] [ D] a 0 c 0 b 0 d 0 RT nf 20

Samorzutność reakcji redoksowej Przykład 4 Czy reakcja: Cu 2+ (aq) + Fe(s) Cu(s) + Fe 2+ (aq) jest samorzutna? redukcja: Cu 2+ + 2e Cu E o = 0.34 V utlenianie: Fe Fe 2+ + 2e E o = 0.44 V Zauważmy, że e z szeregu napięciowego dla reakcji redukcji: Fe 2+ + 2e - Fe zmiana znaku E o = - 0.44 V E o G G o o = 0.78V = nf E = 2mol 96458 = 2mol 96458 = 1.5 10 5 J o < 0 C mol C mol 0.78 0.78V J C = = 21

Samorzutność reakcji redoksowej Przykład 5 Czy HNO 3 rozpuści złoto? redukcja: NO 3- + 4H + + 3e - ΝΟ + 2Η 2 Ο E o =0.96 V utlenianie: Au Au + 3e E o = - 1.50V E o = 0.54V E o < 0 G o > 0 reakcja nie jest samorzutna 22

Samorzutność reakcji redoksowej Przykład 6 Oblicz SEM ogniwa na podstawie wartości potencjałów półogniw z szeregu napięciowego: VO 2+ + 2H + + e - VO 2+ + H 2 O E o = 1.00 V Zn + 2e Zn E o = - 0.76V dla T=25 o C [VO 2+ ]=2.0 M [H 3 O + ]=0.50 M [VO 2+ ]=0.010 M [Zn 2+ ]=0.10 M 23

Samorzutność reakcji redoksowej Przykład 6 2VO 2+ + 4H + + 2e - 2VO 2+ + 2H 2 O E o = 1.00 V Zn Zn + 2e - E o = 0.76V 2VO 2+ + 4H + + Zn 2VO 2+ + Zn 2+ + 2H 2 O J 8.31 298K E = 1.76V mol K C 2mol 96485 mol 2 0.1 (0.01) = 1.76V 0.01283ln 4 2 (0.5) 2 = 1.89V = 1.76V E o =1. 76V 2+ 2+ 2 [ Zn ][ VO ] ln + 4 [ H O ] [ VO ] + 3 2 + 0.13V 2 = = 24

Akumulator kwasowy (ołowiowy) - stosowany w samochodach; regenerowalne (ogniwo wtórne) Pb(s) PbSO 4 (s) H + (aq),hso 4- (aq) PbO 2 (s) PbSO 4 (s) Pb(s), 2 V płyta oddzielająca płyta anody płyta katody A, utlenianie: Pb + HSO - 4 PbSO 4 + H + + 2e - K, redukcja: PbO 2 + H 2 SO4 + 2e - PbSO 4 + 2H 2 O 25

pręt grafitowy (katoda) Ogniwo suche - nie można ponownie ładować; gdy reakcja ogniwa osiągnie stan równowagi, ogniwo nadaje się do wyrzucenia (ogniwo pierwotne). Zn(s) ZnCl 2 (aq), NH 4 Cl(aq) MnO(OH)(s) MnO 2 (s) grafit, 1,5 V MnO naczynie 2 + grafit +NH cynkowe 4 Cl (anoda) A, utlenianie: Zn Zn 2+ + 2e - K, redukcja: 2NH 4 + 2MnO 2 + 2 e - Mn 2 O 3 + 2NH 3 + H 2 O Wersja II baterie alkaliczne A, utlenianie: Zn + 2OH - ZnO + H 2 O + 2e - K, redukcja: 2MnO 2 + H 2 O + 2e - Mn 2 O 3 + 2OH - 26

Akumulator niklowo-kadmowy stosowany do zasilania urządzeń elektronicznych. Cd(s) Cd(OH) 2 (s) KOH(aq) Ni(OH) 3 (s) Ni(OH) 2 (s) Ni(s), 1,25 V płyta dodatnia płyta oddzielająca płyta ujemna A, utlenianie: Cd + 2OH - Cd(OH) 2 + 2e - K, redukcja: NiO 2 + 2H 2 O + 2 e - Ni(OH) 2 + 2OH - 27

Ogniwo paliwowe 2H 2 (g)) + O 2 (g) 2H 2 O(l) anoda: : 2H 2 + 4OH 4H 2 O + 4e katoda: : 4e + O 2 + 2H 2 O 4OH Wykorzystanie ogniw paliwowych na skalę technologiczną zależy od wynalezienia taniej metody otrzymywania wodoru 28

Stabilność stopni utlenienia 29

Stabilność stopni utlenienia Diagram FROST EBSWORTH 1. 2. 3. 4. 5. +5,18 Stabilność Dysproporcjonacja Utleniacze i reduktory Ograniczenie kinetyczne Warunki standardowe +4,62 Mn +0,1-0,85-2,36 MnO42- MnO4- +499,8 +445,8 MnO2 +9,7 Mn3+ -85,0 Mn2+ -227,7 30

Stabilność stopni utlenienia Diagram Pourbaix 31

Przykład 2 Hg 2 2+ (aq) + 2 e - 2 Hg(c) 2 Hg(c) + 2 Cl - (aq) Hg 2 Cl 2 (s) + 2 e - liczba elektronów zyskanych = liczba elektronów utraconych 2 Hg(c) + Hg 2 2+ (aq) + 2 Cl - (aq) + 2 e - 2 Hg(c) + Hg 2 Cl 2 (s) + 2 e - Hg 2 2+ (aq) + 2 Cl - (aq) Hg 2 Cl 2 (s) Hg(c) Hg 2 Cl 2 (s) HCl(aq) Hg 2 (NO 3 ) 2 (aq) Hg(c) 32