ELEKTROKÉMIA. - elektrolitokban: ionok irányított mozgása. Elektrolízis: elektromos áram által előidézett kémiai átalakulás

Átírás

1 ELEKTROKÉMIA 1

2 ELEKTROKÉMIA Elektromos áram: - fémekben: elektronok áramlása - elektrolitokban: ionok irányított mozgása Elektrolízis: elektromos áram által előidézett kémiai átalakulás Galvánelem: elektromos áram (energia) termelése redox-reakciók által 2

3 ELEKTROKÉMIA 3

4 ELEKTROKÉMIA Fémgyártás 4

5 Luigi Galvani ( ) 5

6 Alessandro Volta ( ) 6

7 ELEKTROLÍZIS A NaCl-olvadék elektrolízise (Downs-eljárás) olvadék _ vaselektród + grafitelektród _ vaselektród 7

8 ELEKTROLÍZIS A NaCl-olvadék elektrolízise (Downs-eljárás) Az anódon MINDIG oxidáció (e - leadás) megy végbe!!! Anód (+): Oxidáció: 2Cl - Cl 2 + 2e - Katód (-): Redukció: Na + + e - Na 8

9 ELEKTROLÍZIS A Na 2 SO 4 vizes oldatának elektrolízise áramforrás H 2 O H + + OH - _ + Katód (-): 2H + + 2e - H 2 Anód (+): katód anód 2OH - 1/2O 2 + H 2 O + 2e - A H + -és az OH - -ionok semlegesítéséhez kisebb energia szükséges, mint a Na +, ill. SO 4 2- ionokéhoz. 9

10 ELEKTROLÍZIS Az elektrolízis sztöchiometriája m = M z. Q F m = a levált anyag tömege M = moláris tömeg z = felvett, ill. leadott elektronok száma Q = töltésmennyiség (C) F = Faraday-állandó, C (F = N A. e = 6, , C) Q = I t I = az elektrolízishez használt áram erőssége (A) t = az elektrolízis időtartama (s) Ha az elektrolizáló cellán C elektromos töltés halad keresztül, mindkét elektródon 1 egyenértéknyi anyag alakul át (semlegesítődik). Pl. 1 mol Na +, ½ mol Cu 2+, 1/3 mol Al 3+, 1 mol Cl - stb. 10

11 GALVÁNELEMEK A Daniell-féle elem felépítése elektromos áram termelése redox reakciók segítségével John Frederic Daniell ( ) Anód (-) oxidáció Katód (+) redukció 11

12 GALVÁNELEMEK A Daniell-féle elem felépítése Az anódon MINDIG oxidáció (e - leadás) megy végbe!!! Zn Zn e - oxidáció Zn Cu Cu e - Cu redukció Zn + Cu 2+ 2e- Zn 2+ + Cu anód katód porózus válaszfal (membrán) Zn (sz) ZnSO 4 (1 mol/dm 3 ) CuSO 4 (1 mol/dm 3 ) Cu (sz) 12

13 GALVÁNELEMEK A Daniell-féle elem felépítése 13

14 Lechlanché-elem Katód Anód 14

15 Elektródpotenciál. Az elektromos kettősréteg fémelektród Elektródfolyamat: Me Me n+ + ne - elektródpotenciál Az oldat és a fém között kialakuló potenciál nem mérhető, csak valamihez viszonyított potenciálkülönbség. elektromos kettősréteg oldat 15

16 A standard hidrogénelektród A viszonyítási alap: a normál hidrogénelektród, amelynek elektródpotenciálja (önkényesen) ε o = 0 V 16

17 Elektródpotenciál, elektromotoros erő A galvánelem két elektródja közötti potenciálkülönbség: E = ε (katód) ε (anód) E = elektromotoros erő (V), ha a galvánelemen nem halad át áram 17

18 Elektródpotenciál, elektromotoros erő Ha a normál hidrogénelektródot bármely más elektróddal galvánelemmé kapcsoljuk, az e.m.e. a kérdéses elektród elektródpotenciálját adja meg: E = ε o (X) ε o (H 2 ) pl. rézelektród (Cu/Cu 2+ ) hidrogénelektród E = ε o (Cu) ε o (H 2 ) = +0,34 V, tehát ε o (Cu) = + 0,34 V 18

19 Az elektrokémiai feszültségsorozat (normálpotenciálok 25 o C-on) Elektródfolyamat 19

20 Néhány standard elektródpotenciál, ill. a belőlük összeállítható galvánelemek elektromotoros ereje (E o ) E = ε (katód) ε (anód) 20

21 Az elektródpotenciál koncentrációfüggése (Nernst-egyenlet) ε = ε ο + RT n F lnc ε o = standard el.potenciál c = koncentráció, mol/dm 3 R = egyetemes gázállandó T = hőmérséklet F = Faraday-állandó (96485 C) n = az elektródfolyamatban résztvevő elektronok száma ill. ε = ε ο + 0,05916 n lgc A Daniell-elem elektromotoros ereje eme = ε ε + 0 Zn o Cu RT nf ln c c Cu Zn Walther Nernst ( ) 21

22 Koncentrációs elemek A koncentrációs elemek olyan galvánelemek, amelyek két egyforma minőségű elektródból épülnek fel, de koncentrációjuk eltérő. Cu Cu 2+ (0,01 mol/dm 3 ) Cu 2+ (0,1 mol/dm 3 ) Cu ε(1) = ε o + 0, lg 0,01 ε(2) = ε o + 0, lg 0,1 E = ε(2) ε(1) = 0, lg 0,1 0,01 = 0,0296 V 22

23 Másodfajú elektródok Egy galvánelem elektródjainak elektródpotenciálja a működés során folyamatosan változik (elsőfajú elektródok, polarizáció). Vannak olyan elektródok, amelyek potenciálja áram áthaladása mellett sem változik meg másodfajú elektródok. pl. Ag/AgCl-elektród, Hg/Hg 2 Cl 2 -elektród (kalomel-elektród) Ag KCl-old. 1 M Cl Ag + ε = ε ο (Ag) + RT n.f lnc(ag+ ) L = c(ag + ) c(cl - ) ε = ε ο (Ag) + RT n.f ln L c(cl - ) AgCl konstans konstans ε(ag/agcl) = 0,2894 V 23

24 Másodfajú elektródok Kalomel-elektródok 24

25 A dinnyelem elektromotoros ereje 25

26 Ugyanaz citrommal 26

27 A ph elektrokémiai mérése (mv- és ph-skála) Ag pufferoldat KCl-oldat ph-érzékeny vékony üveggömb membrán üvegelektród Ag/AgCl referenciaelektród e(ü) = e o (ü) + 0,05916 lg c(h + ) e(ref) = konstans E = e(ü) e(ref) 27

28 Üvegelektród 28

29 Üvegelektród 29

30 Üzemanyagcellák 30

31 Üzemanyagcellák 31

32 Üzemanyagcellák 32

33 Metanolgazdaság Oláh György Kémiai Nobel-díj (1994) Anód: CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6H + + 6e- Katód: (3/2)O 2 + 6H + + 6e - 3H 2 O Bruttó reakció: CH 3 OH + (3/2)O 2 CO 2 + 2H 2 O 33

34 Korrózió Katódfolyamat: 2H + + 2e- H 2 Anódfolyamat: Me Me n+ + ne - 34

35 Helyi elemek oxidáció redukció vas réz 35

36 Elektrokémia és fogászat aranykorona Az egymással érintkező fémek helyi elemet hoznak létre, a kevéssé nemes fém oldatba megy! fogtömés Katód: O 2 (g) + 4H + (aq) + 4 e - 2H 2 O(l) Anód: Sn 8 Hg Sn 2+ + e - 36

37 Korrózióvédelem Passzív (csak addig véd, amíg meg nem sérül a bevonat) -védőbevonatok készítése - ónbevonat -festék - rozsdamentes acél (krómtartalom > 10%) Aktív katódos fémvédelem -horganyzás (Zn bevonat) -földalatti vezekékek összekötése Mg tömbbel 37