Elektrokémia laboratóriumi gyakorlat

Átírás

1 Elektrokémia laboratóriumi gyakorlat Elméleti háttér A Nernst-egyenlet A kémiai reakció által végzett maximális hasznos munka egyenlő a szabadentalpia változásával. Állandó nyomáson és hőmérsékleten a szabadentalpia változását a reagáló anyagok kémiai potenciálja szabja meg. Egy A anyag kémiai potenciálját a µ A = µ 0 A + RTln[A] egyenlet adja meg, ahol [A] az A anyag koncentrációját (aktivitását), µ 0 A pedig standard kémiai potenciálját jelöli. Ha egy redox reakciót A ox + B red = A red + B ox formában írunk fel, a szabadentalpia változását G = µ 0 A red +RTln[A red ]+µ 0 B ox +RTln[B ox ] µ 0 A ox RTln[A ox ] µ 0 B red RTln[B red ] G = G 0 + RTln [C][D] [A][B] = G0 + RTlnQ adja. Elektrokémiai folyamatokban a töltött részecskék elmozdulása következtében végzett munka a feszültség és a töltésmennyiség szorzataként írható fel. Ideális esetben ez megegyezik a reakció maximális hasznos munkájával: G = G 0 + RTlnQ = zfe ahol z a reakcióban résztvevő elektronok mólszáma, F a Faraday-szám (1 mol elektron töltése, coulomb). A standard szabadentalpia változása felírható a standard elektródpotenciálok segítségével: ε 1 és ε 2 az G 0 = zfe 0 = zf(ε 0 1 ε 0 2) A red = A ox + ze B red = B ox + ze félreakciók standard elektródpotenciáljai. Így zfe = zfe 0 + RTlnQ E = E 0 RT zf lnq Ez a Nernst-egyenlet általános formája. 25 C -ot feltételezve és tízes alapú logaritmusra áttérve: E = E 0 0,059 logq z 1

2 Elektrolitoldatok vezetése Egy vezető R ellenállása egyenesen arányos az adott vezető l hosszával, és fordítottan arányos annak q keresztmetszetével: R = ρ l q ρ arányossági tényezőt fajlagos ellenállásnak nevezzük, reciproka a faljagos vezetés (κ). A fajlagos vezetés az elektrolitot alkotó egyes ionok moláris fajlagos vezetéséből (Λ, függ a koncentrációtól) és koncentrációja (c) segítségével kapható: κ = Λ 1 c 1 + Λ 2 c Mérési gyakorlat Cinkbevonat készítése vaslemezre elektrokémiai úton Az elektrokémia fontos alkalmazási területe a korrózióvédelem. Korrozív környezeti hatásoknak kitett vastárgyak védelmét gyakran oldják meg cinkbevonat alkalmazásával. Ennek hatása kettős: egyrészt a vas felületét elszigeteli a külvilágtól (a cink nedvesség hatására sem "rozsdásodik", felületét összefüggő vékony oxidréteg borítja), másrészt a Zn/Zn 2+ rendszer elektródpotenciálja negatívabb a Fe/Fe 2+ rendszerénél, így a bevonat sérülése esetén is a cink oldódik előbb (katódos védelem). Szükséges eszközök, anyagok vaslemez, 2 db cinklemez ZnCl 2 H 2 O: Az elektrolit kezdeti cinktartalmát biztosítja, hozzájárul az oldat vezetéséhez NH 4 Cl: Növeli az elektrolit vezetőképességét, komplexálja a cinkionokat, növeli a mikroszórást (egyenletesebb felület), beállítja a ph -t. nagy (kb. 500 ml) kristályosítócsésze 2 db üvegállvány, vezetékek, árammérő, potenciométer, áramforrás aceton, 40% -os NaOH oldat, 10% -os sósavoldat: tisztítás, aktiválás 2M kénsavoldat, 3%-os H 2 O 2 oldat, 0.1M NH 4 SCN oldat: vasionok kimutatása A cinkbevonat elkészítése A vaslemezt a cinkbevonat megfelelő tapadása és egyenletessége érdekében alaposan tisztítani, zsírtalanítani kell. A tisztítás lépései: mechanikai tisztítás (csiszolás, polírozás) lúgos tisztítás (40% -os NaOH oldat, 10 perc, vízfürdő) 2

3 desztvizes öblítés oldószeres mosás (aceton), szárítás sósavas maratás, aktiválás (10 % -os sósavoldat, 5 perc) desztvizes öblítés A tisztítás után a vaslemezt papírtörlővel megszárítjuk, lemérjük élhosszait és tömegét. A cinkező elektrolit elkészítéséhez 500 ml desztvízben feloldunk 50g ZnCl 2 H 2 O -t, és 75g NH 4 Cl -t. Összeállítjuk az 1. ábrán látható kapcsolást. Az áramkört az áramforrás egyik sarkánál nyitva hagyjuk. Az elkészült oldatot a kristályosítócsészébe helyezzük, belemerítjük a cinkanódokat és a katódként kapcsolt vaslemezt. Zárjuk az áramkört, és a potenciométer segítségével 1A/dm 2 áramsűrűségnek megfelelő áramot (a katód felületét az élhosszakból számíthatjuk) állítunk be. A bevonat leválasztását 30 percig végezzük. A 30 perc leteltével a vaslemezt kiemeljük az elektrolitból, majd megszakítjuk az áramkört. A lemezt desztvízzel leöblítjük, megszárítjuk, tömegét lemérjük. árammérõ A változtatható ellenállás + Zn Fe áramforrás elektrolit 1. ábra. A vasionok beoldódásának vizsgálata Híg kénsavoldat a vasat Fe(II) ionok keletkezése közben oldja: Fe + 2H + = Fe 2+ + H 2 A F e(ii) ionok hidrogén-peroxiddal F e(iii) ionokká oxidálhatóak: 2Fe 2+ + H 2 O 2 + 2H + = 2Fe H 2 O A F e(iii) ionok SCN (tiocianát, rodanid) ionokkal intenzív vörös színeződést adnak: Fe SCN = Fe(SCN) 3 25 ml desztillált vízhez cseppentsünk 3-3 csepp 1:1 kénsavat, 3% -os hidrogénperoxidot és 0.1M ammónium-tiocianátot. Helyezzünk bele 1-1 percre cinkezett vaslemezt, sérült cinkbevonatú vaslemezt ill. bevonatlan vaslemezt. Figyeljük meg az oldat színváltozásának mértékét, sebességét. 3

4 Feladatok A leválasztott cinkbevonat tömegéből számítsuk ki a leválasztáshoz felhasznált töltésmennyiséget (Faraday-törvény). Az elektrolízis ideje és a beállított áramerősség ismeretében számítsuk ki az elektrolízis hatásfokát. Feltételezve, hogy a cinkbevonat sűrűsége 7.1g/cm 3 számítsuk ki a cinkbevonat vastagságát Réz-cink elem összeállítása és mérése A kémiai áramforrások a bennük végbemenő cellareakció energiáját közvetlenül elektromos munkává alakítják. A primer elemek elektródfolyamatai nem megfordíthatóak. A szekunder elemek (akkumulátorok) jó közelítéssel reverzibilisen működnek, eredeti állapotuk ellentétes irányú áram átvezetésével visszaállítható. Tüzelőanyag-elemnek olyan galvánelemet nevezünk, amelyben a valamely szokásos energiahordozó (szénhidrogének, hidrogén, stb.) oxidációja szolgáltatja az áramot. A gyakorlat során réz ill. cinkelektródból állítunk össze galvánelemet. Szükséges eszközök, anyagok rézlemez, cinklemez 1M KNO 3 oldat (vezetősó) 1M CuSO 4 oldat (elektrolit) 1M ZnSO 4 oldat (elektrolit) szűrőpapír A gyakorlat menete A réz és cinklemezke felületét 2M sósavba való merítéssel aktiváljuk, majd öblítjük. Kb. 2x5 cm -es szűrőpapírdarabkára egymástól 3 cm -re egy-egy cseppet cseppentünk az elektrolitoldatokból. A lemezkéket ráhelyezzük az oldataikkal megnedvesített felületre, majd az 1M KNO 3 oldatból a két lemezke közé cseppentünk úgy, hogy a nedvesített területek átfedjék egymást. Kézi feszültségmérő műszerrel megmérjük a fémlemezkék között kialakult feszültséget. Cu CuSO4 KNO 3 ZnSO 4 Zn 2. ábra. 4

5 Feladatok Számítsa ki az összeállított elem elméleti elektromotoros erejét. ε 0 Cu/Cu2+ = +0.34V ε 0 Zn/Zn2+ = 0.76V Feltételezve, hogy a cink-szulfát oldat koncentrációja és a standard elektródpotenciálok pontosak, a mért elektromotoros erőből számítsa ki a réz-szulfát oldat koncentrációját. 10 cm -es elktródtávolságot feltételezve mekkora a cinkbevonat készítésére használt elektrolit ellenállása? A moláris fajlagos vezetések az adott koncentrációkon: Λ[cm 2 /molω] Cu Zn SO NO3 52 K + 50 H NH Cl 55 5