ELEKTROCHEMIA. Wykład I

Podobne dokumenty
ELEKTROCHEMIA. Podstawy

Elektrochemia. Reakcje redoks (utlenienia-redukcji) Stopień utlenienia

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

Karta pracy III/1a Elektrochemia: ogniwa galwaniczne

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

PODSTAWY KOROZJI ELEKTROCHEMICZNEJ

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

wykład 6 elektorochemia

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

OGNIWA GALWANICZNE I SZREG NAPIĘCIOWY METALI ELEKTROCHEMIA

TŻ Wykład 9-10 I 2018

Podstawowe pojęcia 1

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

Elektrochemia - szereg elektrochemiczny metali. Zadania

Fragmenty Działu 8 z Tomu 1 PODSTAWY ELEKTROCHEMII

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

Przetwarzanie energii: kondensatory

Wykład z Chemii Ogólnej i Nieorganicznej

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

Przetwarzanie energii: kondensatory

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

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

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

10. OGNIWA GALWANICZNE

10. OGNIWA GALWANICZNE

Reakcje utleniania i redukcji. Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

NAPIĘCIE ROZKŁADOWE. Ćwiczenie nr 37. I. Cel ćwiczenia. II. Zagadnienia wprowadzające

Elektrochemia - prawa elektrolizy Faraday a. Zadania

Budowę ogniwa galwanicznego opiszemy na przykładzie ogniwa glinowo- -srebrowego, które przedstawiono na Rysunku 1.

Elementy Elektrochemii

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

Elektrochemia. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

POWTÓRKA Z ELEKTROCHEMII

Wrocław dn. 22 listopada 2005 roku. Temat lekcji: Elektroliza roztworów wodnych.

Reakcje utleniania i redukcji

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Ć W I C Z E N I E 6. Nadnapięcie wydzielania wodoru na metalach

Materiały elektrodowe

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

SZEREG NAPIĘCIOWY METALI OGNIWA GALWANICZNE

WYKŁAD 13 Przewodnictwo roztworów elektrolitów. Konduktometria nanotechnologia II rok 1

ELEKTROCHEMIA ZAKŁAD CHEMII MEDYCZNEJ POMORSKI UNIWERSYTET MEDYCZNY

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

MODUŁ. Elektrochemia

(1) Przewodnictwo roztworów elektrolitów

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

SZEREG NAPIĘCIOWY METALI OGNIWA GALWANICZNE

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

POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

Podstawy elektrochemii

ĆWICZENIE 10. Szereg napięciowy metali

Sem nr. 10. Elektrochemia układów równowagowych. Zastosowanie

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z CHEMII na poszczególne oceny dla uczniów klasy III a. chemia rozszerzona. mgr Adam Makówka

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki prądowo- napięciowej elektrolizera typu PEM,

IV. Reakcje utleniania i redukcji. Metale i niemetale

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

Ogniwa galwaniczne. Elektrolizery. Rafinacja. Elektroosadzanie.

ĆWICZENIE 16 Potencjały równowagowe elektrod siła elektromotoryczna ogniw.

Podstawy elektrochemii i korozji

TYPY REAKCJI CHEMICZNYCH

PODSTAWY PROCESÓW ELEKTROCHEMICZNYCH

IV A. Reakcje utleniania i redukcji. Metale i niemetale

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

Elektrochemia. Jak pozyskać energię z reakcji redoksowych?

Akademickie Centrum Czystej Energii. Ogniwo paliwowe

To jest. Ocena bardzo dobra [ ] energetycznych. s p d f. Ocena dobra [ ] izotopowym. atomowych Z. ,, d oraz f.

Fizykochemiczne podstawy elektrochemicznych metod analizy

Chemia I Semestr I (1 )

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

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

VI Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2013/2014

Nazwy pierwiastków: ...

relacje ilościowe ( masowe,objętościowe i molowe ) dotyczące połączeń 1. pierwiastków w związkach chemicznych 2. związków chemicznych w reakcjach

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

Problemy do samodzielnego rozwiązania

n liczba moli elektronów E siła elektromotoryczna ogniwa F = en A stała Faradaya C/mol

Ogniwa elektrochemiczne wprowadzenie Klasyfikacja półogniw Termodynamika ogniwa galwanicznego; równanie Nernsta

WARSZTATY olimpijskie. Co już było: Atomy i elektrony Cząsteczki i wiązania Stechiometria Gazy, termochemia Równowaga chemiczna Kinetyka

Tematy i zakres treści z chemii - zakres rozszerzony, dla klas 2 LO2 i 3 TZA/archt. kraj.

MATERIAŁ DIAGNOSTYCZNY Z CHEMII

ELEKTROCHEMIA CIAŁA STAŁEGO

Zagadnienia z chemii na egzamin wstępny kierunek Technik Farmaceutyczny Szkoła Policealna im. J. Romanowskiej

MAŁOPOLSKI KONKURS CHEMICZNY dla uczniów dotychczasowych gimnazjów i klas dotychczasowych gimnazjów prowadzonych w szkołach innego typu

Ćwiczenie 1: Wyznaczanie warunków odporności, korozji i pasywności metali

1 Kinetyka reakcji chemicznych

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

λ = Ćwiczenie 5K Wyznaczanie liczb przenoszenia oraz ruchliwości jonów w polu elektrycznym.

Metody Badań Składu Chemicznego

Katedra Inżynierii Materiałowej

Inżynieria Biomedyczna

SOFC. Historia. Elektrochemia. Elektroceramika. Elektroceramika WYKONANIE. Christian Friedrich Schönbein, Philosophical Magazine,1839

Wyznaczanie stałej i stopnia dysocjacji kwasu octowego i chlorooctowego

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

10 k. OGNIWA GALWANICZNE

Wstęp do elektrochemii

Jon w otoczeniu dipoli cząsteczkowych rozpuszczalnika utrzymywanych siłami elektrycznymi solwatacja (hydratacja)

1. Kryształy jonowe omówić oddziaływania w kryształach jonowych oraz typy struktur jonowych.

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

Ćwiczenie 25. Piotr Skołuda OGNIWA STĘŻENIOWE

Zagadnienia. Budowa atomu a. rozmieszczenie elektronów na orbitalach Z = 1-40; I

Transkrypt:

LKTROCHMIA Wykład I 1

Prof. dr hab. inż. Marta Radecka, B-6, III p. 306, tel (12) (617) 25-26 e-mail: radecka@agh.edu.pl Strona www: http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~radecka/ http://www.agh.edu.pl/ Pracownicy Strony domowe pracowników Marta Radecka 2

Plan zajęć Wykłady Marzec 2014 02, 08, 09, 22, 23- Prof. Mieczysław Rękas Kwiecień 2014 06 Maj 2014 11, 17 (termin laboratorium nr 5) Laboratorium-mgr inż. Anna Wnuk Lab1-15.03, Lab2. Lab.3-05.04, Lab.4-17.05, Lab.5-31.05-ZALICZNI (termin wykładu) 3

Reakcje przenoszenia Przenoszenie atomu HCl (g) + H 2 OCl - (aq) + H 3 O + (aq) Przenoszenie elektronu Cu (s) +2Ag + (aq) Cu 2+ (aq) +2Ag (s) utlenianie -2e - +2e - redukcja 4

Reakcje redox Reakcje przenoszenia elektronów = reakcje utleniania i redukcji Reakcje typu redox mogą powodować: Generowanie prądu elektrycznego Pobieranie prądu elektrycznego LKTROCHMIA procesy chemiczne towarzyszące przepływowi prądu elektrycznego przez elektrolit. 5

lektrochemia ciała stałego lektrochemia ciała stałego-jest częścią elektrochemii, zajmuje się zjawiskami, w których dominującą rolę odgrywają ciała stałe JONIKA Właściwości elektrochemiczne ciał stałych: tlenki, chlorki, tlenki złożone.obejmujące przewodniki jonowe, elektronowe, elektronowo-jonowe LKTRODYKA Kinetyka i mechanizm reakcji zachodzących w ciałach stałych, obejmująca elektrokatalizę gaz-ciało stałe

Reakcja chemiczna prąd elektryczny Zn jest utleniany (reduktor) Cu 2+ jest redukowany (utleniacz) Zn(s) Zn 2+( aq) + 2e - Cu 2+( aq) + 2e - Cu(s) ---------------------------- Cu 2+ (aq) + Zn(s) Zn 2+( aq) + Cu(s) lektrony przechodzą od Zn do Cu 2+. ale nie mogą być użyte do przepływu prądu elektrycznego 7

Reakcja chemiczna prąd elektryczny cd Cu 2+ (aq) + Zn(s) Zn 2+( aq) + Cu(s) Dla powyższej reakcji: w (obj.) =0 ponieważ reakcja ma miejsce w roztworze (V=0) Reakcja redox zachodzi w pojedynczym naczyniu U=q Zmiana energii wewnętrznej związana jest z wymianą ciepła Jest to nieefektywny sposób użycia energii wytwarzanej w reakcjach elektrochemicznych 8

Reakcje utleniania-redukcji Bezpośrednie: utleniacz i reduktor w bezpośrednim kontakcie lektrony Cu (s) +2Ag + (aq)cu 2+ (aq) +2Ag (s) Utlenianie Jony Redukcja Pośrednie: przepływ elektronów obwodem zewnętrznym od reduktora do utleniacza 9

Dlaczego należy rozdzielić reakcję całkowitą na dwie reakcje połówkowe? 10 Jeżeli dwa roztwory zmieszamy to reakcje będą zachodzić ale elektrony będą bezpośrednio przechodzić z cynku do jonów miedzi w roztworze a nie obwodem zewnętrznym nergia zamieniana jest na ciepło Rozdzielenie dwóch reakcji połówkowych wymusza przepływ elektronów biorących udział w reakcji chemicznej poprzez obwód zewnętrzny gdzie energia elektryczna może być zamieniana na inne formy energii. Transfer elektronów pomiędzy reakcją redox a elektrodami zachodzi na powierzchni rozdziału elektroda-roztwór Jony przechodząc przez roztwór zobojętniają powierzchnię wokół elektrody

PODZIAŁ PRZWODNIKÓW PRĄDU PRZWODNIKI PRĄDU PRZWODNIKI 1-szego rodzaju PRZWODNIKI 2-ego rodzaju metale nośnikami prądu są elektrony nośnikami prądu są jony roztwory elektrolitów, stopione sole

metal LKTRODA Układ, w którym zapewniono kontakt przewodnika I i II rodzaju nosi nazwę LKTRODY - - - + + + roztwór elektrolitu

OGNIWO 1 Zn 2+ - + - + - + Zn 2+ Cu 2+ Cu 2+ - + - + - + - + 2 Zn 2+ Cu 2+ Zn Zn 2+ Cu 2+ Cu ZnSO 4 CuSO 4

OGNIWO 1 1 < 2 e - e - 2 Zn 2+ Cu 2+ Zn Zn 2+ 2 SO 4 Cu 2+ Cu ZnSO 4 CuSO 4

Ogniwa elektrochemiczne Układ, w którym reakcja typu redox zachodzi poprzez transfer elektronów obwodem zewnętrznym Ogniwo woltaiczne (galwaniczne): Reakcja zachodzi w kierunku tworzenia produktów Reakcja chemiczna prąd elektryczny Ogniwo elektrolityczne (elektrolizer) Reakcja zachodzi w kierunku tworzenia substratów Prąd elektryczny reakcja chemiczna 15

Zapis ogniwa elektrochemicznego Granica faz klucz Granica faz ANODA Zn/Zn 2+ // Cu 2+ /Cu KATODA lektroda-anoda lektroda-katoda lektrolit z połówkową reakcją utleniania lektrolit z połówkową reakcją redukcji Klucz elektrolityczny: Umożliwia przepływ jonów ale zapobiega mieszaniu elektrolitów 16

Ogniwo galwaniczne ANODA Zn/Zn 2+ // Cu 2+ /Cu KATODA Na anodzie (elektroda ujemna) zachodzi zawsze reakcja utleniania Zn -2e - =Zn 2+ (tworzenie jonów Zn 2+ ) Na katodzie (elektroda dodatnia) zachodzi zawsze reakcja redukcji Cu 2+ +2e - =Cu (tworzenie Cu(s)) Bodziec reakcji- różnica potencjałów pomiędzy półogniwami siła elektromotoryczna ogniwa SM napięcie ogniwa 17

OGNIWO Daniella analiza termodynamiczna samorzutnie Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu elektrony Zn ZnSO 4 (c =1M) CuSO 4 (c =1M) Cu ΔG 0 r ΔG 0 ZnSO 4 ΔG 0 Cu ΔG 0 CuSO 4 ΔG 0 Zn 0 0 0 ΔGr ΔGZnSO ΔGCuSO 4 4 W elektr = 0

Ogniwa konwencje dotyczące znaków elektrod Siła elektromotoryczna ogniwa (SM), jest co do bezwzględnej wartością równa bezwzględnej różnicy potencjałów elektrod, w sytuacji, gdy prąd elektryczny nie płynie przez ogniwo. Znak SM przyjmujemy za dodatni, jeśli elektrony w pracującym ogniwie płyną od strony lewej ku prawej. M M = 2 1 elektrony ( > 0) ( ) 1 ( ) 2 M M 1 elektrony ( < 0) 2

Dodatnia siła elektromotoryczna ogniwa wskazuje na przepływ elektronów w kierunku, któremu odpowiada samorzutny przebieg reakcji od strony lewej ku prawej W ogniwie Daniella: elektrony Zn ZnSO 4 (c =...) CuSO 4 (c =...) Cu na lewej elektrodzie: Zn Zn 2+ + 2e - na prawej elektrodzie: Cu 2+ + 2e - Cu Zn + Cu 2+ + 2e - Zn 2+ + Cu + 2e - Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu

W warunkach izotermiczno-izobarycznych, gdy reakcja przebiega nieskończenie wolno (przez ciąg stanów równowagi) Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu 0 0 0 ΔGr ΔGZnSO ΔGCuSO 4 4 W elektr odnoszone do 1 mola praca nieobjętościowa praca prądu elektrycznego Q przepływającego przez obwód zewnętrzny w trakcie pracy ogniwa ΔG 0 r 2F o W elektr = - 2F o F = N A e -

Standardowe napięcie o ogniwa 22 Siłą napędową przepływu elektronów od anody do katody jest siła elektromotoryczna ogniwa SM Dla ogniwa Zn/Zn 2+ // Cu 2+ /Cu SM=1.1 V jeżeli [Zn 2+ ]=[Cu 2+ ]=1mol/dm 3 w temperaturze 25 o C o ilościowe określenie tendencji zachodzenia reakcji od substratów do produktów, jeżeli występują one w stanie standardowym w 25 o C

POTNCJAŁY LKTROD W OGNIWI DANILLA Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu Zn Zn 2+ + 2e - Cu 2+ + 2e - Cu 0 RT nf ln a a utl n utl n red red Zn 0 Zn RT 2F ln a a Zn Zn 2 Cu o Cu RT 2F ln a a Cu 2 Cu

Zastosujmy to równanie do jednej z elektrod w ogniwie Daniella: Zn o Zn RT 2F ln a a Zn Zn 2 1 Zn o lna 2 Zn RT 2F Zn a Zn =1 2+ o Zn Zn Jednak nie potrafimy zmierzyć Zn...

Standardowa elektroda wodorowa SW (SH) Szklana rurka do prowadzenia H 2 H 2 (1atm) o = 0.0 V gazowy 2H + (aq, 1 M) + 2e - H 2 (g, 1 atm) 25 Potencjał standardowy-potencjał ogniwa w którym półogniwo działające jako katoda porównuje się ze standardową elektrodą wodorową (wymagane są warunki standardowe)

POTNCJAŁY NORMALN LKTROD MTALICZNYCH normalna elektroda wodorowa Zestawiamy ogniwo: normalna elektroda metaliczna 1 2 H utl red a 1 a 1 M Pt H utl Pt H 2 H M H M o 2 H 2 0 H ( ) a 1 a 1 M M 2 ( ) H M o M M o M o H 2 M 0

Zn/Zn 2+ i Cu/Cu 2+ versus H + /H 2 Cu 2+ (aq)+h 2 (g) Cu(s)+2 H + (aq) Zmierzone o = +0.34 V o dla Cu 2+ + 2e - Cu jest +0.34?? V Zn(s) + 2 H + (aq) Zn 2+ + H 2 (g) Zmierzone o = -0.76 V o dla Zn 2+ (aq) + 2e - Zn jest?? -0.76 V 27

POTNCJAŁY NORMALN LKTROD MTALICZNYCH elektroda 0 Li Li + Al Al 3+ Zn Zn 2+ Pb Pb 2+ Cu Cu 2+ Ag Ag + - 3,045 V - 1,662 V - 0,763 V - 0,126 V + 0,337 V + 0,799 V e - Pt H 2 H + M (+) M e -

Dla reakcji zachodzących w kierunku tworzenia produktów Baterie lub ogniwa woltaiczne : reakcja chemiczna prąd elektryczny Substraty Produkty G o < 0 a więc o > 0 ( o jest dodatnie) Dla reakcji zachodzących w kierunku tworzenia substratów Ogniwa elektrolityczne (elektrolizer): prąd elektryczny reakcja chemiczna Produkty Substraty G o > 0 a więc o < 0 ( o jest ujemne) 29

Ogniwo w warunkach niestandardowych Dla reakcji redox Standardowe potencjały redukcji pozwalają przewidzieć kierunek zachodzenia reakcji samorzutnej: Jeżeli o >0 reakcja zachodzi w kierunku tworzenia produktów Jeżeli o <0 reakcja zachodzi w kierunku tworzenia substratów o stosujemy jeżeli stężenia wszystkich reagentów wynoszą 1mol/dm 3 W przypadku innych koncentracji potencjał ogniwa możemy wyznaczyć w oparciu o równanie Nernsta 30

Wpływ koncentracji na napięcia ogniwa - równanie Nernsta W warunkach niestandardowych o G=G o +RTln(K nr ) jest prawdziwa dla idealnego roztworu lub gazu Uwaga!!! K nr = stosunek iloczynu stężeń produktów do iloczynu stężeń substratów w toku reakcji nie-stała równowagi!! G o =-nf o (wszystkie roztwory 1 M) G=-nF a więc - nf= -nf o + RTln(K nr ) 31

W warunkach standardowych (25 C, 101,322 kpa): o 0 r nf ΔG W innych warunkach: nf ΔG r B A D C n B n A n D n C 0 r r a a a a RTln ΔG ΔG B A D C n B n A n D n C o a a a a RTln nf nf B A D C n B n A n D n C 0 a a a a ln nf RT

Dla ogólnej reakcji zachodzącej w ogniwie w dowolnej temperaturze: aa + bb cc + dd ΔG r nf o RT nf ln a a c C a A a a d D b B aktywnościowa stała równowagi dla reakcji zachodzącej w ogniwie

Obliczanie różnicy potencjałów dla ogniwa Postępowanie przy określeniu samorzutności reakcji: Wyznaczenie potencjału dla każdego półogniwa (równanie Nersta) W półogniwie o wyższym lub mniej negatywnym potencjale zachodzi reakcja redukcji (katoda) = (katoda) - (anoda) Określ kierunek zachodzenia reakcji oraz dla układu: Pb/Pb 2+ (0.01M)//Sn 2+ (2.5M)/Sn Pb 2+ +2e - Pb -0.13V, Sn 2+ +2e - Sn -0.14V (Pb)= -0.13V + RT/2F ln(0.01/1)= - 0.189V (Sn)=-0.14V + RT/2F ln(2.5/1)= - 0.128V Jony cyny będą redukowane 35 RT/nF ln(k nr )=0.0591/n log(k nr ) dla temperatury 25 o C

Zastosowanie równania Nersta Jaki jest potencjał ogniwa Daniela, jeżeli [Zn 2+ ]=0.5mol/dm 3, [Cu 2+ ]=2.0mol/dm 3, potencjał standardowy ogniwa o =1.10 V Zn / Zn 2+ (0.5 M) // Cu 2+ (2.0 M) / Cu [Zn 2+ ] Zn(s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu(s) K nr =? [Cu 2+ ] = 1.10 - (0.0257) ln([zn 2+ ]/[Cu 2+ ]) 2 = 1.10 - (-0.018) = 1.118 V 36 RT/F=0.0257 dla T=298K

Zastosowanie równania Nersta cd Jaka jest różnica potencjałów ogniwa oraz [Zn 2+ ]/[Cu 2+ ], jeżeli ogniwo jest całkowicie rozładowane? Zn / Zn 2+ // Cu 2+ /Cu, potencjał standardowy ogniwa o =1.10 V Układ jest w stanie równowagi = 0 G = 0 K nr = K = o - (RT/nF)ln(K) =0 Lub o = (RT/nF) ln (K) i lub ln (K) = nf o /RT = (n/0.0257) o w T = 298 K (2)(1.10)/(0.0257) więc... K = e = 1.5 x 10 37 Wyznaczanie K z o K = e (nfo /RT) 37

lektroliza lektroliza - całokształt zjawisk zachodzących w czasie przepływu prądu elektrycznego przez roztwory elektrolitów, lub przez stopione elektrolity... Proces utleniania zachodzi na anodzie a na katodzie proces redukcji Proces elektrolizy jest procesem niesamorzutnym ( o <0) w którym następuje zamiana energii elektrycznej na chemiczną Proces Znak elektrody LKTROLIZA Znak elektrody OGNIWO Reakcja elektrodowa Typ reakcji Anodowy + - RO+ne utlenianie Katodowy - + O+ne R redukcja 38

lektroliza HCl H 2 SO 4 HNO 3 Proces katodowy 2H + + 2e H 2o 2H + + 2e H 2o 2H + + 2e H 2o Proces anodowy 2Cl - Cl 2o + 2e H 2 O 2e + 2H + +1/2O 2 (utlenianie wody) H 2 O 2e + 2H + +1/2O 2 (utlenianie wody) NaOH Mg(OH) 2 KOH Proces katodowy 2H 2 O + 2e H 2o +2OH - (redukcja wody) 2H 2 O + 2e H 2o +2OH - (redukcja wody) 2H 2 O + 2e H 2o +2OH - (redukcja wody) Proces anodowy 2OH - H 2 O + 1/2O 2 +2e 2OH - H 2 O + 1/2O 2 +2e 2OH - H 2 O + 1/2O 2 +2e 39

lektroliza (cd) NaCl (roztwór wodny) CuSO 4 NaCl (stopiona sól) Proces katodowy 2H 2 O + 2e H 2o +2OH - (redukcja wody) Cu 2+ + 2e Cu o 2Na + + 2e 2Na o Proces anodowy 2Cl - Cl 2o + 2e H 2 O 2e + 2H + +1/2O 2 (utlenianie wody) 2Cl - Cl 2o + 2e W rozważanych przykładach uwzględniono fakt, że metale znajdujące się w szeregu napięciowym na początku (do glinu włącznie) nie redukują się na katodzie Jeżeli elektrolizie poddano stopione elektrolity (np. tlenki, wodorotlenki, sole), to w tych warunkach metale ulegają redukcji na katodzie 40

Ogniwo a elektrolizer 41

lektrochemia: znaczenie naukowe Przewidywanie kierunku zachodzenia reakcji chemicznej W warunkach standardowych ΔG o r nfδ o ΔG o r 0 ΔG o r 0 ΔG o r 0 W dowolnych warunkach reakcja samorzutna równowaga chemiczna reakcja niesamorzutna (reakcja do niej odwrotna jest samorzutna) ΔG r nfδ 42

lektrochemia: znaczenie naukowe cd Wyznaczanie wartości funkcji termodynamicznych tworzenia oraz reakcji ΔG r nfδ H r, S r, U r Wyznaczanie wartości stałych równowag reakcji takich jak: Reakcji redox Stałe dysocjacji, iloczyn jonowy wody, iloczyn rozpuszczalności, stałe (nie)trwałości kompleksów i wiele innych 43

Przykład (1): reakcja redoks Pt Fe 2+, Fe 3+ Sn 2+, Sn 4+ Sn Fe 2 2 Sn Fe 4 3 2e' e' (2) (1) Pt(1) o Sn 2 /Sn 4 RF 2F ln [Sn [Sn 4 2 ] ] Pt(2) o Fe 2 /Fe 3 RF F ln [Fe [Fe 3 2 ] ] 44

Przykład (1) cd: reakcja redoks o Fe /Fe 3 RF [Fe ] o RF [Sn F ln 2 2 4 [Fe ] Sn /Sn F ln 2 [Sn 2 3 2 4 ] ] o Fe 2 /Fe 3 o Sn 2 /Sn 4 RF 2F ln [Sn [Sn 4 2 ] [Fe ] [Fe 2 3 ] ] 2 2 Sn 2+ +2Fe 3+ Sn 4+ +2Fe 2+ TO JST STAŁA RÓWNOWAGI RAKCJI Kr [Sn [Sn 4 2 ] [Fe ] [Fe 2 3 ] ] 2 2 45

Przykład (2): Stała dysocjacji kwasu octowego CH3COOH CH3COO Zmierzyć potencjał elektryczny półogniwa: PtH 2 CH 3 COOH aq (c) o H RT F ln [H H 1 2 H (p 2 H ) 2 ] [H + ] K dys [CH3COO ] [H [CH COOH] 3 ] [H ] c[h 2 ] 46

Przykład (3): Iloczyn rozpuszczalności AgCl s Ag Cl Zmierzyć potencjał elektryczny półogniwa: AgAgCl aq (nasycony) o Ag Ag RT F ln[ag ] [Ag + ] I 2 [Ag ] [Cl ] [Ag ] Agcl 47

Przykład (4): Stała nietrwałości kompleksu [HgI 4 ] 2- [HgI 4 ] 2 Hg 2 4I Zmierzyć potencjał elektryczny półogniwa: Hg[HgI 4 (c) o Hg Hg 2 RT 2F ln[hg 2 ] [Hg 2+ ] K [HgI 4 ] 2 [Hg 2 [HgI ] [I 2 4 ] ] 4 [Hg 2 c[hg ] 5 2 ] 48

lektrochemia: znaczenie praktyczne Źródła prądu stałego Ogniwo Leclanchego Akumulator ołowiowy Akumulator litowy Ogniwa paliwowe 49

Akumulatory litowe Li Li + + e - o = +3.04 V r(li) = 0.53 gcm -3 Power Weight is high

Początki i współczesność technologii ogniw litowych Pierwsze komercyjne ogniwo litowe (1972) Li/Li + /Li x TiS 2 Li-ion battery (1991) Li x C 6 /Li + /Li 1-x CoO 2

54

Baterie litowe : Li 1-X CoO 2 + C n Li x LiCoO 2 + C n Stan Rozładowanie rozładowania naładowania e - e - Katoda Anoda = Li + = LiPF 6 C (grafitowa LiC 6 (grafitowa anoda) anoda) CoLi 2 O/Co o 3 O 4 (tlenek (tlenek kobaltu kobaltu anoda) anoda) LiFePO 4 4 katoda LiCoO 2 2 katoda

Ogniwa paliwowe H 2,PtO 2- (H + )Pt,O 2 Katalizator H 2 +O 2- =H 2 O + 2e H 2 1/2O 2 +2e =O 2- O 2 Reakcja sumaryczna: H 2 (g) + 1/2O 2 (g)=h 2 O(g) Anoda lektrolit Katoda 56

Zasada działania 57

Pokrywanie metali Prądowe w ogniwie elektrolitycznym Bezprądowe Au +3 (aq) + 3 e - Au (s) Au +3 (aq) lektroda bierna (anoda) Łyżeczka (katoda) 58

lektrochemia: znaczenie praktyczne cd Otrzymywanie NaOH-elektroliza wodnego roztworu NaCl lektroliza wody Otrzymywanie metali alkalicznych (litowców) oraz ziem rzadkich (berylowców) poprzez elektrolizę stopionych soli (np. chlorków) Metalurgia aluminium: Al 2 O 3 2Al + 3/2O 2 59

lektrochemia: znaczenie praktyczne cd Pomiar ph (elektroda szklana): jonoselektywna elektroda membranowa IS AgAgCl Roztwór buforu fosforanowego Membrana szklana 60

lektrochemia: znaczenie praktyczne cd Sensory elektrochemiczne gazów np. O 2 O 2 (P O2 ), PtYSZ O 2 (P O2 ) ref, Pt RT 4F Znane są również sensory następujących gazów: H 2, CO 2, SO 2, Cl 2, NH 3 ln( p p O2 O2, ref ) 61