Elektronátadás és elektronátvétel

Átírás

1 Általános és szervetlen kémia 11. hét Elızı héten elsajátítottuk, hogy a közös elektronpár létrehozásával járó reakciók csoportjában milyen jellemzıi vannak sav-bázis és komplexképzı reakcióknak Mai témakörök a redoxi reakciók és a galvánelemek Elektronátadás és elektronátvétel Az részecskék oxidációs állapota - oxidációs szám - az a tényleges vagy névleges töltés szám (±), amit a részecskét alkotó egyes atomokhoz töltésük vagy kötésük, valamint elektronegativitásuk alapján hozzárendelünk?? PH 3, CS 2, CI 4, SI 2, NCl 3, HCHO, Az oxidációs állapot - elemek, ionok, vegyületek - független a reakciópartnertıl A rendszer oxidációs állapotában nem következhet be változás Elektronátadás és elektronátvétel A redoxi reakció: egyidejő oxidáció és redukció Oxidáció: oxidációs szám növekedés - elektron leadás Redukció: oxidációs szám csökkenés - elektron felvétel Egyirányú és egyensúlyi folyamatok A folyamatok idıbeli elválasztása nem lehetséges - a rendszeren belüli térbeli elkülönítése igen galvánelemek 1

2 Elektronátadás és elektronátvétel Jellemzı redoxi reakciók: égési folyamatok S + O 2 SO 2 CH O 2 CO H 2 O 2 Mg + O 2 2 MgO elemek egyesülése 2 K + Cl 2 2 KCl N H 2 2 NH 3 Zn + S ZnS Elektronátadás és elektronátvétel Jellemzı redoxi reakciók: elemek szubsztitúciós és addíciós reakciói CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl CH 2 =CH 2 + Br 2 CH 2 Br-CH 2 Br bomlás elemekre 2 NaN 3(sz) 2 Na (sz) + 3 N 2(g) 2 HgO 2 Hg + O 2 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 2 AgBr 2 Ag + Br 2 Elektronátadás és elektronátvétel Jellemzı redoxi reakciók: fémes elemek oldása Mg + HCl MgCl 2 + H 2 Li + H 2 O LiOH + H 2 2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O 2 Na[Al(OH) 4 ] + 3 H 2 Cu + 4 HNO 3 Cu(NO 3 ) NO H 2 O 2

3 Elektronátadás és elektronátvétel Jellemzı redoxi reakciók: diszproporcionálódás NH 4+ + NO 2 N H 2 O Cl 2 + H 2 O HCl + HClO erıs oxidálószerek reakciói 3 CH 3 CH 2 OH + 2 Cr 2 O H + 3 CH 3 COOH + 4 Cr H 2 O 10 Cl + 2 MnO H + 5 Cl Mn H 2 O Elektronátadás és elektronátvétel Jellemzı redoxi reakciók: élettani folyamatok??? fotoszintézis 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2??? oldódás 6 CO H 2 O 6 H 2 CO 3 Elektronátadás és elektronátvétel Jellemzı redoxi reakciók: környezetkémiai folyamatok 3

4 Elektronátadás és elektronátvétel Mi határozza meg, hogy a redoxi folyamatokban milyen részecske adja az elektront és mi veszi fel? Mi határozza meg, hogy a reakció lejátszódik-e? Galvánelemek Az oxidációs és a redukciós folyamat térbeli elválasztása - galváncella CuSO 4 + Fe FeSO 4 + Cu Cu e Cu Fe Fe e Galvánelemek Elektrolit: szabadon mozgó ionokat tartalmazó oldat vagy olvadék Katód: az elektród, amelyen redukció történik Anód: az elektród, amelyen oxidáció játszódik le Sóhíd: a galvánelemnek a két félcellát összekötı, ionok áramlását biztosító része 4

5 Galvánelemek anód anód elektrolit katód elektrolit katód Zn Zn 2+ Cu 2+ Cu Az elektródok típusai Elsıfajú elektródok - mőködése során az elektrolit koncentráció állandóan változik fémelektród: a fém saját ionját tartalmazó elektrolitjába merül - reverzibilis (oxidáció és redukció egyaránt végbemehet) gázelektród: az áramló gáz molekulái és az oldatban lévı ionjai indifferens fém felületén redukálódnak vagy oxidálódnak redoxielektród: indifferens fém olyan elektrolitba merül, amelyben az ion kétféle oxidációs számban van jelen Az elektródok típusai Másodfajú elektródok: a mőködés során az elektrolit koncentráció nem változik fém-csapadék elektród: olyan fémelektród, amely kis oldhatóságú sójával van bevonva és annak anionját adott koncentrációban tartalmazó elektrolitba merül 5

6 Az elektródpotenciál Az elektród felülete és a vele érintkezı elektrolit határrétege között kialakuló potenciál - nem mérhetı Viszonyítási alap - a standard hidrogénelektród: platinázott platina elektród, áramló 0,1 MPa H 2 -gáz, 1,000 mol/dm 3 H + tartalmú oldat Az elektródpotenciál standard elektródpotenciál: a standard hidrogén-elektródból és a vizsgálandó elektródból összeállított galvánelemben 25 C-on, árammentes állapotban mért feszültségkülönbség Az elektródpotenciál A redoxi reakciók irányát a standard elektród-potenciálok értékének viszonya mutatja meg: önként csak az a redoxi folyamat tud végbemenni, amelyben a negatívabb standardpotenciálú részecske oxidálódik Fe e Fe Zn e Zn Sn e Sn Cu e Cu I 2 + 2e 2 I Cl 2 + 2e 2 Cl E = - 0,44 V E = - 0,76 V E = - 0,14 V E = + 0,34 V E = + 0,54 V E = + 1,36 V 6

7 Az elektródpotenciál A Nernst-egyenlet: az elektród potenciáljának értéke adott körülmények között fémelektród redoxielektród o R T o 0,0592 E = E + lnc= E + lgc z F z o R T [ox] E = E + ln = E z F [red] o 0, lg z [ox] [red] Az elektródpotenciál Koncentrációs elemek: olyan galvánelem, amelyben a két félcella azonos minıségő, de elektrolitjának koncentrációja eltérı - ph mérı berendezések o R T c1 E = E + ln z F c 2 o 0,0592 c1 = E + lg z c R T + + E = ln [H ] = 0,0592 lg[h ] = - 0,0592 ph F 2 A ph mérése Üvegelektród: mérı- vagy indikátorelektród, az üveg felszínén kialakuló potenciál egyenesen arányos a ph-val Összehasonlító vagy referencia elektród, potenciálja független a ph-tól 7

8 A ph mérése Kombinált üvegelektród: egy mérıtestbe építve tartalmazza a mérı- és a referencia elektródot üvegelektród vizsgálandó oldat sóhíd referencia Kémiai energia - elektromos energia Kémiai reakcióval termelünk elektromos áramot - galvánelem Daniell-elem Zn Zn 2+ Cu 2+ Cu Primer elemek - csak egyszer süthetık ki (ellentétes irányú áram hatására az eredeti kémiai állapot nem állítható vissza) telep - több galvánelem sorba kapcsolva Leclanche elem: Zn Zn e 2 MnO 2 + H + + 2e 2 MnO(OH) 8

9 Ruben-Mallory elem: Zn + 2 OH ZnO + H 2 O + 2 e HgO + H 2 O + 2 e Hg + 2 OH egyre kevésbé használt a Hg tartalom miatt, újabban a drágább Ag 2 O-t használják, ahol a katódon Ag 2 O + H 2 O + 2 e 2 Ag + 2 OH Lítium-elemek: pacemakerben lítium- jodid, 2,8 V, ( Li, poli(2- vinilpiridin + I 2, elektrolit: szilárd LiI) 2 Li 2 Li e 2Li + + P-2VP ni e P2VP (n 1)I 2 + 2LiI Lítium-elemek: Li - SOCl 2 : 3,65 V, ( Li, C, elektrolit: tionil-kloridban oldott LiAlCl 4 ) 4 Li 4 Li e katód (oldószer reakciója): 4 Li SOCl e SO 2 + S + 4 LiCl 9

10 Szekunder elemek - ellentétes irányú áram hatására az eredeti kémiai állapot visszaállítható akkumulátorok - reverzibilis mőködés Kénsavas ólomakkumulátor: % H 2 SO 4 oldat, 2 V, autóban 6 db, hatásfoka % Pb + HSO 4 PbSO 4 + H e PbO H + + HSO e PbSO H 2 O Schenek István Farbaky István Lúgos Edison-akkumulátor: %-os KOH, 1,2-1,3 V, hatásfok: 55-60% Fe + 2 OH Fe(OH) e 2 Ni(OH) e 2 Ni(OH) OH 10

11 Lúgos nikkel-kadmium-akkumulátor: Cd + 2 OH Cd(OH) e 2 Ni(OH) e 2 Ni(OH) OH környezetszennyezı hatása miatt egyre gyakoribb a nikkel-fémhidrid-akkumulátor alkalmazása (mobiltelefon, fényképezıgépek) nikkel-fémhidrid-akkumulátor: 1,35 V fémötvözet (V, Ti, Zr, Ni, Cr, Co, Fe), elektrolit: KOH (6 mol/dm 3 ) hatásfok: 66 % (több kapcsolva: 8,4 V) MH + OH NiO(OH) + H 2 O + e M + H 2 O + e Ni(OH) 2 + OH André-akkumulátor: 1,5-1,6 V elektrolit: K 2 [Zn(OH) 4 ]-tal telített 40 %-os KOH, ezüst-peroxid miatt drága, hatásfok: % 2 Zn + 4 OH 2 Zn(OH) e Ag 2 O e 2 Ag + 4 OH 11

12 Tüzelıanyag elemek: égési folyamat két részreakciója térben elválasztva porózus elektródokon megy végbe hatásfok: % hidrogén-oxigén tüzelıanyag-cella 2 H OH 4 H 2 O + 4 e O H 2 O + 4 e 4 OH a tüzelıanyag-elemek használata a közlekedésben a hidrogén tárolására különbözı megoldások sőrített gázként (veszélyes) hidridek formájában (drága) polimerelektrolit-membrános cellák alkalmazása a hidrogén-kibocsátás milyen légköri változásokhoz vezethet??? 12