W 7 PODSTAWY ELEKTROCHEMII,
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
2008-05-18 Wykład 7 1 Elektrochemia jest działem chemii, zajmującym się wykorzystaniem samorzutnych reakcji do wytwarzania elektryczności i wykorzystaniem elektryczności do przeprowadzenia reakcji, które nie zachodzą samorzutnie. Okazuje się, że tego typu reakcje mają bezpośredni związek z reakcjami utleniania i redukcji. Ten rodzaj reakcji nosi nazwę reakcji elektrochemicznej . Są to reakcje zachodzące na granicach faz w których elektrony przechodzą z jednej fazy do drugiej fazy a atomy, które bezpośrednio uczestniczą w tym procesie zmieniają stopień utleniania. 2 1 2008-05-18 Schemat reakcji elektrodowej w warunkach równowagi. Na granicy faz metal-roztwór występuje zawsze skok potencjału elektrycznego. Z chwilą zanurzenia metalu do roztworu wodnego jego soli powstaje układ metal-roztwór elektrolitu, który schematycznie można zapisać Me|Me z+ , gdzie Me oznacza metal, Me z+ -jony metalu w roztworze, a kreska pionowa symbolizuje granicę faz. Pod wpływem przyciągania wywołanego przez dipolowe cząsteczki wody, metal zależnie od reaktywności chemicznej, mniej lub bardziej intensywniej przechodzi w stan jonowy, tzn. wysyła do roztworu swoje jony. Na skutek tego metal ładuje się ujemnie. 3 Obecne w roztworze jony dodatnie metalu (kationy) są solwatowane (otoczone cząsteczkami rozpuszczalnika) wykazują dążność do gromadzenia się w pobliżu ujemnie naładowanej powierzchni metalu, zatem w pobliżu tej powierzchni tworzy się warstwa ładunku dodatniego. Część jonów ulega na powierzchni metalu rozładowaniu i przejściu w stan metaliczny . Po pewnym czasie ustali się tzw. równowaga dynamiczna między fazami, polegająca na wyrównaniu szybkości przechodzenia jonów metalu do roztworu, a szybkością osadzania się jonów z roztworu na metalu. Przebieg równowagi można opisać równaniem. Me o Me z+ + ze 4 2 2008-05-18 Układ składający się z fazy metalicznej i otaczającego ją roztworu elektrolitów nosi nazwę elektrody (półogniwa). Metaliczny cynk zanurzony w roztworze własnej soli ma tendencję do przechodzenia w formie jonów cynku do roztworu. W wyniku przejścia pewnej ilości dodatnich jonów cynku do roztworu, zgodnie z reakcją: Zn o --> Zn 2+ + 2e, na granicy faz metal -roztwór gromadzi się w metalu pewna liczba elektro- nów. Równocześnie od strony roztworu gromadzi się warstewka jonów dodatnich metalu, przyciąganych przez ujemny ładunek elektryczny metalu. W ten sposób na granicy faz powstaje podwójna warstwa elektryczna , w której występuje skok potencjału (potencjał elektrochemiczny) . 5 Układ zbudowany z dwóch elektrod połączonych poprzez elektrolit tworzy ogniwo galwaniczne . Z chwilą połączenia dwóch elektrod wskutek występującej różnicy potencjałów popłynie w obwodzie zewnętrznym prąd elektryczny. Przyczyną przepływu elektronów z jednego półogniwa do drugiego przez obwód jest różnica potencjałów wewnętrznych, która powstaje pomiędzy półogniwami (elektrodami) takiego ogniwa. 6 3 2008-05-18 W życiu codziennym stosujemy różne rodzaje ogniw, najczęściej o tym nie wiedząc. Zasilamy nimi radia, magnetofony, zegarki, kalkulatory i inne urządzenia elektroniczne. Pierwsze ogniwo skonstruował ok. 208 lat temu, bo w 1800 roku, włoski fizyk Alessandro Volta (1745-1827). Od tego czasu ogniwa przechodziły różne przeobrażenia zanim przybrały dzisiejszą postać. Nazwa "ogniwo galwaniczne" pochodzi od nazwiska włoskiego lekarza, fizyka i fizjologa Luigi Galvaniego (1737-1798). Ogniwo galwaniczne jest to układ złożony z dwóch półogniw (elektrod) i spełniający warunek, że po połączeniu półogniw zewnętrznym przewodnikiem metalicznym następuje w nim przepływ elektronów. Wytwarzanie prądu elektrycznego w ogniwach osiągamy w wyniku reakcji chemicznej jakie zachodzą na elektrodach ogniwa. Tymi reakcjami są reakcje utleniania i redukcji 7 Ogniwo Daniela utlenianie: Zn (s) --> Zn 2+ (aq) + 2e redukcja: Cu 2+ (aq) + 2e --> Cu (s) Sumaryczna reakcja biegnąca w ogniwie jest następująca. Zn (s) + Cu 2+ (aq) --> Zn 2+ (aq) + Cu (s) Klucz elektrolityczny to U-rurka wypełniona masą porowatą nasycona innym roztworem, najczęściej KCl lub KNO 3 . W przypadku ogniw jednonaczyniowych, zamiast klucza elektrolitycznego stosuje się przegrodę porowatą (diafragmę), która spełnia taką samą rolę jak klucz elektrolityczny. 8 4 2008-05-18 Wielkością charakteryzującą ogniwo galwaniczne, jest różnica potencjałów między elektrodami, wtedy gdy ogniwo jest w równowadze, a więc, gdy nie płynie przez nie prąd wypadkowy (ogniwo otwarte). Wielkość ta nazywa sie siłą elektromotoryczną ogniwa i oznaczana jest symbolem SEM lub E Siła elektromotoryczna ogniwa, E, jest miarą zdolności reakcji ogniwa do spowodowania przepływu elektronów przez obwód. SEM ogniwa definiuje się jako różnicę potencjałów elektrody dodatniej (o wyższej wartości potencjału E katoda ) i ujemnej (E anoda ) dla ogniwa otwartego, czyli takiego, w którym obwód elektryczny nie jest zamknięty, a opór między biegunami ogniwa jest nieskończenie wielki. SEM = E katoda -E anoda = E 9 Potencjał półogniwa o danym stężeniu (aktywności) elektrolitu można obliczyć na podstawie równania Nernsta gdzie: R —stała gazowa; 8,314 W • s/mol • K, T—temperatura, K, F —stała Faradaya; 96485 C/mol, z —wartościowość metalu, a —aktywność (stężenie) półogniwa. SEM = E katoda -E anoda = E 10 5 . [ Pobierz całość w formacie PDF ] |