13 Elektrokémia. Elektrokémia Dia 1 /52

Hasonló dokumentumok
Általános Kémia, 2008 tavasz

7 Elektrokémia. 7-1 Elektródpotenciálok mérése

Áramforrások. Másodlagos cella: Használat előtt fel kell tölteni. Használat előtt van a rendszer egyensúlyban. Újratölthető.

Kémiai alapismeretek hét

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

Kémiai alapismeretek 11. hét

Redox reakciók. azok a reakciók, melyekben valamely atom oxidációs száma megváltozik.

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

Áramforrások. Másodlagos cella: Használat előtt fel kell tölteni. Használat előtt van a rendszer egyensúlyban. Újratölthető.

Redox reakciók. azok a reakciók, melyekben valamely atom oxidációs száma megváltozik.

Jellemző redoxi reakciók:

Redoxi reakciók Elektrokémiai alapok Műszaki kémia, Anyagtan I előadás

Anyagvizsgálati módszerek Elektroanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

Elektronátadás és elektronátvétel

A standardpotenciál meghatározása a cink példáján. A galváncella működése elektrolizáló cellaként Elektródreakciók standard- és formálpotenciálja

Orvosi Fizika 13. Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

Elektrokémia Kiegészítés a praktikumhoz Elektrokémiai cella, Kapocsfeszültség, Elektródpotenciál, Elektromotoros erı.

Általános és szervetlen kémia Laborelıkészítı elıadás VI

Kémiai reakciók Protolitikus reakciók: egyensúlyi állandók

Eredeti Veszprémi T. (digitálisan Csonka G) jegyzet: X. fejezet

Kémiai energia - elektromos energia

1. feladat Összesen: 8 pont. 2. feladat Összesen: 11 pont. 3. feladat Összesen: 7 pont. 4. feladat Összesen: 14 pont

9. évfolyam II. félév 2. dolgozat B csoport. a. Arrheneus szerint bázisok azok a vegyületek, amelyek... b. Arrheneus szerint a sók...

Elektro-analitikai számítási feladatok 1. Potenciometria

EA. Elektrokémia alap mérés: elektromotoros erő és kapocsfeszültség mérése a Daniell cellában, az EMF koncentráció függése

A 27/2012. (VIII. 27.) NGM rendelet (29/2016. (VIII. 26.) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

Dr. JUVANCZ ZOLTÁN Óbudai Egyetem Dr. FENYVESI ÉVA CycloLab Kft

Spontaneitás, entrópia

AZ ELEKTROKÉMIA VÁLOGATOTT ALKALMAZÁSI TERÜLETEI

Kémia fogorvostan hallgatóknak Munkafüzet 10. hét

7. előadás

Spontaneitás, entrópia

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2009/2010. Kémia I. kategória II. forduló A feladatok megoldása

HETEROGÉN EGYENSÚLYI ELEKTROKÉMIA: ELEKTRÓDOK ÉS GALVÁNELEMEK

K. Az elektródpotenciál mérése L. Az elektródpotenciálok skálája M. Az elektródok fajtái N. Összegzés

HOMOGÉN EGYENSÚLYI ELEKTROKÉMIA: ELEKTROLITOK TERMODINAMIKÁJA

SZERVETLEN KÉMIAI REAKCIÓEGYENLETEK

Általános kémia képletgyűjtemény. Atomszerkezet Tömegszám (A) A = Z + N Rendszám (Z) Neutronok száma (N) Mólok száma (n)

Általános kémia gyakorlat vegyészmérnököknek. 2015/2016. őszi félév

Általános kémia gyakorlat biomérnököknek

O k t a t á si Hivatal

Redoxireakciók. Egy anyag csak akkor oxidálódhat, ha a leadott elektronokat egyidejűleg egy másik anyag felveszi

Elektrokémiai gyakorlatok

Elektrokémia a kémiai rendszerek és az elektromos áram kölcsönhatása

Közlekedésmérnöki Kar Műszaki kémia labor. 3. Korrózió. FÉMEK KORRÓZIÓJA Dr.Bajnóczy Gábor

7. Kémia egyenletek rendezése, sztöchiometria

Összesen: 20 pont. 1,120 mol gázelegy anyagmennyisége: 0,560 mol H 2 és 0,560 mol Cl 2 tömege: 1,120 g 39,76 g (2)

KORRÓZIÓS ÁRAM MÉRÉSE FÉM KORRÓZIÓSEBESSÉGÉNEK MEGHATÁROZÁSA KORRÓZIÓS ÁRAM MÉRÉSE ALAPJÁN

Elektrokémia. Elektrokémia. A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

Voltammetriás görbe: a munkaleketród potenciáljának (E) függvényében ábrázoljuk a körben folyó áram erősségét

Minőségi kémiai analízis

2012/2013 tavaszi félév 10. óra

Általános kémia gyakorlat biomérnököknek

2011/2012 tavaszi félév 3. óra

Az elektrokémia áttekintése

VIII. ELEKTROMOS ÁRAM FOLYADÉKOKBAN ÉS GÁZOKBAN

Az elektrokémia áttekintése

Tartalmi követelmények kémia tantárgyból az érettségin K Ö Z É P S Z I N T

Sók oldékonysági szorzatának és oldáshőjének meghatározása vezetés méréssel

Voltammetriás görbe: a munkaleketród potenciáljának (E) függvényében ábrázoljuk a körben folyó áram erősségét

Elektrokémia 03. Cellareakció potenciálja, elektródreakció potenciálja, Nernst-egyenlet. Láng Győző

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 1997

Elektromos áram. Vezetési jelenségek

Redoxireakciók. Egy anyag csak akkor oxidálódhat, ha a leadott elektronokat egyidejűleg egy másik anyag felveszi

AZ EGYENÁRAM HATÁSAI

6 Ionszelektív elektródok. elektródokat kiterjedten alkalmazzák a klinikai gyakorlatban: az automata analizátorokban

ismerd meg! A galvánelemekrõl II. rész

Elektrokémia B01. Mi a ph? Láng Győző. Kémiai Intézet, Fizikai Kémiai Tanszék Eötvös Loránd Tudományegyetem Budapest

FÉMEK KORRÓZIÓJA Dr.Bajnóczy Gábor

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Ni 2+ Reakciósebesség mol. A mérés sorszáma

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Kémia emelt szintű érettségi írásbeli vizsga ELEMZÉS (BARANYA) ÉS AJÁNLÁS KÉSZÍTETTE: NAGY MÁRIA

Javítókulcs (Kémia emelt szintű feladatsor)

Leclanché-típusú elemek (cink + mangándioxid (barnakő))

Megújuló energiaforrások

Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei

ELEKTROKÉMIA GALVÁNCELLÁK ELEKTRÓDOK

Kiss László Láng Győző ELEKTROKÉMIA

Szalai István. ELTE Kémiai Intézet

Elektrokémia kommunikációs dosszié ELEKTROKÉMIA. ANYAGMÉRNÖK NAPPALI MSc KÉPZÉS, SZABADON VÁLASZTHATÓ TÁRGY TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ

Gyakorló feladatok. Egyenletrendezés az oxidációs számok segítségével

Dr. JUVANCZ ZOLTÁN Óbudai Egyetem Dr. FENYVESI ÉVA CycloLab Kft

1. feladat Összesen: 10 pont. 2. feladat Összesen: 14 pont

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

Oldódás, mint egyensúly

Kémiai egyensúlyok [CH 3 COOC 2 H 5 ].[H 2 O] [CH3 COOH].[C 2 H 5 OH] K = k1/ k2 = K: egyensúlyi állandó. Tömeghatás törvénye

Elektrokémia. A nemesfém elemek és egymással képzett vegyületeik

ELEKTROANALITIKA (ELEKTROKÉMIAI ANALÍZIS)

4. változat. 2. Jelöld meg azt a részecskét, amely megőrzi az anyag összes kémiai tulajdonságait! A molekula; Б atom; В gyök; Г ion.

Kinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

Periódusosság. Általános Kémia, Periódikus tulajdonságok. Slide 1 of 35

Szent-Györgyi Albert kémiavetélkedő

Elektrokémia laboratóriumi gyakorlat

Egyenáram. Áramkörök jellemzése Fogyasztók és áramforrások kapcsolása Az áramvezetés típusai

T I T - M T T. Hevesy György Kémiaverseny. A megyei forduló feladatlapja. 8. osztály. A versenyző jeligéje:... Megye:...

5. Laboratóriumi gyakorlat

I. Az elektrokémia áttekintése. II. Elektrolitok termodinamikája. A. Elektrolitok jellemzése. A. Elektrolitok jellemzése

Indikátorok. brómtimolkék

1. mintatétel. A) Elektrolízis vizes oldatokban

Átírás:

13 Elektrokémia 13-1 Elektródpotenciálok mérése 13-2 Standard elektródpotenciálok 13-3 E cella, ΔG és K eq 13-4 E cella koncentráció függése 13-5 Elemek: áramtermelés kémiai reakciókkal 13-6 Korrózió: nem kívánt elem 13-7 Elektrolízis: nem spontán reakciók előidézése 13-8 Elektrolízis ipari alkalmazásai Fókusz membránpotenciálok Elektrokémia Dia 1 /52

13-1 Elektródpotenciálok mérése Cu(s) + 2Ag + (aq) Cu(s) + Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) + 2 Ag(s) Nincs reakció Elektrokémia Dia 2 /52

Elektródreakciók, elektródok Anód (ox) Katód (red) Elektrokémia Dia 3 /52

Galvánelem Elektrokémia Dia 4 /52

Terminológia Elektromotoros erő, E cella. A cella feszültsége (lásd a következő dián). Cella diagram. A galvánelem komponenseinek szimbolikus ábrázolása: Anód (anode) (oxidáció helye) bal oldalon. Katód (cathode) (redukció helye) jobb oldalon. Fázishatár jele:. Fél cellák közötti határ jele (rendszerint só-híd):. Elektrokémia Dia 5 /52

Terminológia Zn(s) Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) Cu(s) E cella = 1.103 V Elektrokémia Dia 6 /52

Zn(s) Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) Cu(s) E cella = 1.103 V Elektrokémia Dia 7 /52

Terminológia Galvánelem (cella). Spontán kémiai reakció, ami feszültség különbséget teremt. Elektrolizáló cella. Nem spontán kémiai változás külső feszültség hatására. Redoxi pár, M/M n+ Két összetartozó, különböző ionizációs állapotú anyag. elektronszám változás: n e -. Elektrokémia Dia 8 /52

13-2 Standard elektródpotenciálok Az elektródok közötti potenciálkülönbség nagyon pontosan mérhető. Az elektródok potenciálja nehezen mérhető. Önkényes nulla potenciált választanak. Standard Hidrogén Elektród (SHE) Elektrokémia Dia 9 /52

Standard Hidrogén Elektród (SHE) 2 H + (a = 1) + 2 e - H 2 (g, 1 bar) E = 0 V Pt H 2 (g, 1 bar) H + (aq, a = 1) Szimbolikus jelöléssel. Elektrokémia Dia 10 /52

Standard elektród potenciál, E E -t nemzetközi egyezmény definiálja. A redukcióra való hajlamot jelzi egy kiválasztott elektród esetében. Minden ion aktivitása: a = 1 (közelítőleg 1 M). Minden gáz nyomása 1 bar (közelítőleg 1 atm). Ha nem jelöljük a fémet, akkor inert nem reagáló fémet használunk (pl. Pt). Elektrokémia Dia 11 /52

Redox pár Cu 2+ (1M) + 2 e - Cu(s) E Cu 2+ /Cu =? Pt H 2 (g, 1 bar) H + (a = 1) Cu 2+ (1 M) Cu(s) E cella = 0,340 V anód katód Standard cella potenciál: a két standard elektród potenciáljának különbsége. E cella = E katód - E anód Elektrokémia Dia 12 /52

Standard Cella Potenciál Pt H 2 (g, 1 bar) H + (a = 1) Cu 2+ (1 M) Cu(s) E cella = 0,340 V E cella = E katód - E anód E cella = E Cu 2+ /Cu - E H + /H2 0,340 V = E Cu 2+ /Cu - 0 V E Cu 2+ /Cu = +0,340 V H 2 (g, 1 atm) + Cu 2+ (1 M) H + (1 M) + Cu(s) E cella = 0,340 V Elektrokémia Dia 13 /52

Standard redukciós potenciál mérése anód katód katód anód Elektrokémia Dia 14 /52

Standard Reduction Potentials Elektrokémia Dia 15 /52

13-3 E cella, ΔG és K eq A cellák elektromos munkát végeznek. Elektromos töltés mozog: w max hasznos = w elekromos = -nfe Faraday konstans, F = 96 485 C mol -1 ΔG = -nfe ΔG = -nfe Elektrokémia Dia 16 /52

Spontán változás ΔG < 0 spontán változás. Ezért E cella > 0 mert ΔG cella = -nfe cella E cella > 0 A reakció a felírásnak megfelelő irányú. E cella = 0 A reakció egyensúlyban van. E cella < 0 A reakció a felírással ellenkező irányú. Elektrokémia Dia 17 /52

Fémek oldódása savakban M(s) M 2+ (aq) + 2 e - E = -E M 2+ /M 2 H + (aq) + 2 e - H 2 (g) E H + /H2 = 0 V 2 H + (aq) + M(s) H 2 (g) + M 2+ (aq) E cella = E H + /H 2 - E M 2+ /M = -E M 2+ /M Ha E M 2+ /M < 0, E cella > 0. Ezért ΔG < 0. A negatív standard elektródpotenciálú fémek hidrogén fejlődés közben oldódnak. Elektrokémia Dia 18 /52

Az E cella és K eq viszonya ΔG = -RT ln K eq = -nfe cella E cella = RT ln Keq nf Elektrokémia Dia 19 /52

Összefoglalás Egyensúlyi összetétel mérése Elektrokémia Dia 20 /52

log Q 13-4 E cella mint az aktivitás függvénye Zn(s) Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) Cu(s) E -4 1,221-3 1,192-2 1,162-1 1,133 0 1,103 1 1,073 2 1,044 3 1,014 4 0,985 A Nernst egyenlet: E cella = 1,103 V ΔG = ΔG +RT ln Q -nfe cella = -nfe cella +RT ln Q E cella = E cella - RT nf ln Q Váltsuk át log 10 re és számítsuk ki az állandókat: Q E cella = E cella - a a Zn Cu 2 2 Zn Cu 2 2 0,0592 V log Q n Elektrokémia Dia 21 /52

Példa 13-8 Határozzuk meg az alábbi galváncella feszültségét E cella : Pt Fe 2+ (0,10 M),Fe 3+ (0,20 M) Ag + (1,0 M) Ag(s) Elektrokémia Dia 22 /52

Példa 13-8 0,0592 V E cella = E cella - n log Q 0,0592 V [Fe E cella = E cella - log 3+ ] n [Fe 2+ ] [Ag + ] E cella = 0,029 V 0,018 V = 0,011 V Pt Fe 2+ (0,10 M),Fe 3+ (0,20 M) Ag + (1,0 M) Ag(s) Fe 2+ (aq) + Ag + (aq) Fe 3+ (aq) + Ag (s) Elektrokémia Dia 23 /52

Koncentrációs elemek Két fél-cella azonos elektródokból, de különböző koncentrációkkal. Pt H 2 (1 bar) H + (x M) H + (1,0 M) H 2 (1 bar) Pt(s) 2 H + (1 M) + 2 e - H 2 (g, 1 atm) H 2 (g, 1 atm) 2 H + (x M) + 2 e - 2 H + (1 M) 2 H + (x M) Elektrokémia Dia 24 /52

Koncentrációs elemek E cella = E cella - 0,0592 V n log Q 2 H + (1 M) 2 H + (x M) E cella = E cella - 0,0592 V x log 2 n 1 2 0,0592 V x E cella = 0 - log 2 2 1 E cella = - 0,0592 V log x ph mérő E cella = 0,0592 ph [V] 0.0-0.2-0.4-0.6 H 2 fejlődés Stabil H 2 O -0.8-1.0 ph 0 2 4 6 8 10 12 14 Elektrokémia Dia 25 /52

Oldhatósági szorzat meghatározása Ag Ag + (telített AgI) Ag + (0,10 M) Ag(s) Ag + (0,100 M) + e - Ag(s) Ag(s) Ag + (telített) + e - Ag + (0,100 M) Ag + (telített M) Elektrokémia Dia 26 /52

Példa 13-10 Oldhatósági szorzat meghatározása Galván elem (Voltaic Cell) segítségével. AgI: használjuk az előző dia adatait (az aktivitásokat közelítsük a koncentrációkkal). AgI(s) Ag + (aq) + I - (aq) Ag + (0,100 M) Ag + (telített M) 0,0592 V E cella = E cella - log Q = n 0,0592 V E cella - log n [Ag + ] telített AgI [Ag + ] 0,10 M Ag+ Elektrokémia Dia 27 /52

Példa 13-10 0,0592 V E cella = E cella - n Legyen [Ag + ] telített AgI = x : log [Ag + ] telített AgI [Ag + ] 0,10 M AgI 0,0592 V x E cella = E cella - log n 0,100 0,0592 V 0,417 = 0 - (log x log 0,100) 1 0,417 log x = log 0,100 - = -1 7,044 = -8,044 0,0592 x = 10-8,044 = 9,039 10-9 K sp = x 2 = 8,169 10-17 Elektrokémia Dia 28 /52

13-5 Elemek: áramtermelés kémiai reakciókkal Elsődleges cella (elemek). A reakció megfordíthatatlan. Másodlagos cella (akkumulátor). A reakció megfordítható (töltés). Tüzelőanyag cellák. Az áthaladó anyag kémiai energiáját alakítja feszültséggé. Elektrokémia Dia 29 /52

A Leclanché (Száraz) Elem Szigetelés Grafit rúd (katód) MnO 2 és szén fekete paszta érintkezik a katóddal NH 4 Cl/ZnCl 2 paszta (elektrolit) Cink fém burkolat (anód) Elektrokémia Dia 30 /52

Száraz elem Oxidáció: Redukció: Sav-bázis reakció: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e - 2 MnO 2 (s) + H 2 O(l) + 2 e - Mn 2 O 3 (s) + 2 OH - NH 4 + + OH - NH 3 (g) + H 2 O(l) Csapadékképződés: NH 3 + Zn 2+ (aq) + Cl - [Zn(NH 3 ) 2 ]Cl 2 (s) Elektrokémia Dia 31 /52

Alkáli szárazelem Redukció: 2 MnO 2 (s) + H 2 O(l) + 2 e - Mn 2 O 3 (s) + 2 OH - Oxidáció (2 lépés): Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e - Zn 2+ (aq) + 2 OH - Zn (OH) 2 (s) Zn (s) + 2 OH - Zn (OH) 2 (s) + 2 e - Elektrokémia Dia 32 /52

Ólom akkumulátor A leggyakoribb másodlagos elem Elektrokémia Dia 33 /52

Ólom akkumulátor Redukció: PbO 2(s) + 3 H + (aq) + HSO - 4 (aq) + 2 e - PbSO 4(s) + 2 H 2 O (l) Oxidáció: Pb (s) + HSO - 4 (aq) PbSO 4(s) + H + (aq) + 2 e - PbO 2(s) + Pb (s) + 2 H + (aq) + 2 HSO 4 - (aq) 2 PbSO 4(s) + 2 H 2 O (l) E cella = E PbO 2/PbSO4 - E PbSO4/Pb = 1,74 V (-0,28 V) = 2,02 V Elektrokémia Dia 34 /52

Ezüst cink elem: gombelem Zn(s),ZnO(s) KOH(telitett) Ag 2 O(s),Ag(s) Zn(s) + Ag 2 O(s) ZnO(s) + 2 Ag(s) E cella = 1,8 V Elektrokémia Dia 35 /52

Nickel-Cadmium elem Cd(s) + 2 NiO(OH)(s) + 2 H 2 O(l) 2 Ni(OH) 2 (s) + Cd(OH) 2 (s) Elektrokémia Dia 36 /52

Tüzelőanyag cella O 2 (g) + 2 H 2 O(l) + 4 e - 4 OH - (aq) 2{H 2 (g) + 2 OH - (aq) 2 H 2 O(l) + 2 e - } 2H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O(l) E cella = E O 2/OH - - E H2O/H2 = 0,401 V (-0,828 V) = 1,229 V = ΔG / ΔH = 0,83 Elektrokémia Dia 37 /52

Levegő elemek 4 Al(s) + 3 O 2 (g) + 6 H 2 O(l) + 4 OH - 4 [Al(OH) 4 ](aq) Elektrokémia Dia 38 /52

13-6 Korrózió: káros spontán folyamat ph=14 (egységnyi aktivitású OH - ): O 2 (g) + 2 H 2 O(l) + 4 e - 4 OH - (aq) 2 Fe 2+ (aq) + 4 e - 2 Fe(s) E O 2/OH - = 0,401 V E Fe/Fe 2+ = -0,440 V 2 Fe(s) + O 2 (g) + 2 H 2 O(l) 2 Fe 2+ (aq) + 4 OH - (aq) ph (erősen savas közegben): E cella = 0,841 V O 2 (g) + 4 H + (aq) + 4 e - 4 H 2 O (aq) E O 2/OH - = 1,229 V Elektrokémia Dia 39 /52

Korrózió Elektrokémia Dia 40 /52

Korrózió védelem Elektrokémia Dia 41 /52

Korrózió védelem Elektrokémia Dia 42 /52

13-7 Elektrolízis: nem spontán reakciók előidézése Galván Cella: Zn(s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu(s) E = 1,103 V Elektrolizáló Cella: Zn 2+ (aq) + Cu(s) Zn(s) + Cu 2+ (aq) E = -1,103 V Elektrokémia Dia 43 /52

Komplikációk Túlfeszültség. Versengő reakciók. Nem standard állapotok. Az elektródok természete. Elektrokémia Dia 44 /52

Kvantitatív vonatkozások 1 mol e - = 96 485 C Töltés (C) = áramerősség (C/s) idő (s) n e - = I t F Elektrokémia Dia 45 /52

13-8 Ipari elektrolízis Elektrokémia Dia 46 /52

Electroplating Elektrokémia Dia 47 /52

Klór alkáli eljárás Elektrokémia Dia 48 /52

Fokusz: Membrán potenciálok Elektrokémia Dia 49 /52

Nernst Potenciál, Δ Elektrokémia Dia 50 /52