Kémia a elektronátmenettel járó reakciók, melynek során egyidejű elektron leadás és felvétel történik. Oxidáció - elektron leadás - oxidációs sám nő Redukció - elektron felvétel - oxidációs sám csökken A résecskék oxidációs állapota - oxidációs sám - a a tényleges vagy névleges töltés sám, amit a résecskét alkotó egyes atomokho töltésük vagy kötésük, valamint elektronegativitásuk alapján hoárendelünk. égési folyamatok S + O 2 SO 2 CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O 2 Mg + O 2 2 MgO elemek egyesülése 2 K + Cl 2 2 KCl N 2 + 3 H 2 2 NH 3 Zn + S ZnS elemek substitúciós 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(s) 2 Na (s) + 3 N 2(g) 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 ) 2 + 2 NO 2 + 2 H 2 O 2 HgO 2 Hg + O 2 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 2 AgBr 2 Ag + Br 2 Galvánelemek disproporcionálódás NH 4+ + NO 2 N 2 + 2 H 2 O Cl 2 + H 2 O HCl + HClO erős oxidálóserek reakciói 3 CH 3 CH 2 OH + 2 Cr 2 O 7 2 + 6 H + 3 CH 3 COOH + 4 Cr 3+ + 8 H 2 O 0 Cl + 2 MnO 4 + 6 H + 5 Cl 2 + 2 Mn 2+ + 8 H 2 O A oxidációs és a redukciós folyamat térbeli elválastása - galváncella CuSO 4 + Fe FeSO 4 + Cu Cu 2+ + 2e Cu Fe Fe 2+ + 2e
Galvánelemek Galvánelemek Daniell-elem Elektrolit: sabadon mogó ionokat tartalmaó oldat vagy olvadék Elektród: elektrolitba merülő fémes veető és a hoátartoó elektrolit (galván félcella) Katód: a elektród, amelyen redukció történik Anód: a elektród, amelyen oxidáció játsódik le Sóhíd: a galvánelemnek a két félcellát össekötő, ionok áramlását bitosító rése Elektromotoros erő (E): a a fesültség, ami akkor mérhető, amikor a cellán nem folyik át áram E = katód - anód Celladiagram: anód anód elektrolit katód elektrolit katód Zn Zn 2+ Cu 2+ Cu A elektródok típusai Elsőfajú elektródok - működése során a elektrolit koncentráció állandóan váltoik fémelektród: a fém saját ionját tartalmaó elektrolitjába merül - reveribilis (oxidáció és redukció egyaránt végbemehet) gáelektród: a áramló gá molekulái és a oldatban lévő ionjai indifferens fém felületén redukálódnak vagy oxidálódnak redoxielektród: indifferens fém olyan elektrolitba merül, amelyben a ion kétféle oxidációs sámban van jelen A elektródok típusai Másodfajú elektródok: a működés során a elektrolit koncentráció nem váltoik fém-csapadék elektród: olyan fémelektród, amely kis oldhatóságú sójával van bevonva és annak anionját adott koncentrációban tartalmaó elektrolitba merül A elektród felülete és a vele érintkeő elektrolit határrétege köött kialakuló potenciál - nem mérhető Visonyítási alap - a standard hidrogén-elektród: platináott platina elektród, áramló 0, MPa H 2 -gá,,000 mol/dm 3 H + tartalmú oldat, 298 K (25 C) 2H + (aq) + 2e H 2 (g) Megállapodás serint: º H+/H2 = 0 Elektródpotenciál (): a standard hidrogén-elektródból és a visgálandó elektródból össeállított galvánelemben 25 C-on, árammentes állapotban mért fesültségkülönbség Standard elektródpotenciál ( ): egységnyi koncentrációjú oldat elektródpotenciálja 2
A redoxi reakciók irányát a standard elektródpotenciálok értékének visonya mutatja meg: önként csak a a redoxi folyamat tud végbemenni, amelyben a negatívabb standardpotenciálú résecske oxidálódik Fe 2+ + 2e Fe Zn 2+ + 2e Zn Sn 2+ + 2e Sn Cu 2+ + 2e Cu I 2 + 2e 2 I Cl 2 + 2e 2 Cl Br 2 + 2e 2 Br = - 0,44 V = - 0,76 V = - 0,4 V = + 0,34 V = + 0,54 V = +,36 V = +,07 V A Nernst-egyenlet: a elektród potenciáljának értéke adott körülmények köött fémelektród redoxielektród o R T o 2 = + ln c = + lg c F o R T [ox] o 2 [ox] = + ln = + lg F [red] [red] A ph mérése Koncentrációs elemek: olyan galvánelem, amelyben a két félcella aonos minőségű, de elektrolitjának koncentrációja eltérő - ph mérő berendeések A elem elektromotoros ereje a visgált oldat ph-jától függ: E = o o 2 = + log c2 ( + log c) = log c 2 = mol/dm 3, =, 0 = 0V + E = 0,059 log = log H = 0, 059 + H [ ] [ ] ph c2 c Üvegelektród: mérő- vagy indikátorelektród, a üveg felsínén kialakuló potenciál egyenesen arányos a ph-val Össehasonlító vagy referencia elektród, potenciálja független a ph-tól A ph mérése Kombinált üvegelektród: egy mérőtestbe építve tartalmaa a mérő- és a referencia elektródot, speciális galvánelem üvegelektród visgálandó oldat sóhíd referencia Kémiai energia - elektromos energia Kémiai reakcióval termelünk elektromos áramot - galvánelem Daniell-elem - 835 Zn Zn 2+ Cu 2+ Cu 3
Primer elemek - csak egyser süthetők ki (ellentétes irányú áram hatására a eredeti kémiai állapot nem állítható vissa) telep - több galvánelem sorba kapcsolva Leclanche elem: Zn Zn 2+ + 2 e 2 MnO 2 + H + + 2e 2 MnO(OH) Ruben-Mallory elem: Zn + 2 OH ZnO + H 2 O + 2 e HgO + H 2 O + 2 e Hg + 2 OH egyre kevésbé hasnált a Hg tartalom miatt, újabban a drágább Ag 2 O-t hasnálják, ahol a katódon Ag 2 O + H 2 O + 2 e 2 Ag + 2 OH Sekunder elemek - ellentétes irányú áram hatására a eredeti kémiai állapot vissaállítható akkumulátorok - reveribilis működés Kénsavas ólomakkumulátor: 30-35 % H 2 SO 4 oldat, 2 V, autóban 6 db, hatásfoka 75-80 % Pb + HSO 4 PbSO 4 + H + + 2 e PbO 2 + 3 H + + HSO 4 + 2 e PbSO 4 + 2 H 2 O Lúgos Edison-akkumulátor: 20-30 %-os KOH,,2-,3 V, hatásfok: 55-60% Fe + 2 OH Fe(OH) 2 + 2 e 2 Ni(OH) 3 + 2 e 2 Ni(OH) 2 + 2 OH Lúgos nikkel-kadmium-akkumulátor: Cd + 2 OH Cd(OH) 2 + 2 e 2 Ni(OH) 3 + 2 e 2 Ni(OH) 2 + 2 OH környeetsennyeő hatása miatt egyre gyakoribb a nikkel-fémhidrid-akkumulátor alkalmaása (mobiltelefon, fényképeőgépek) 4
nikkel-fémhidrid-akkumulátor:,35 V fémötvöet (V, Ti, Zr, Ni, Cr, Co, Fe), elektrolit: KOH (6 mol/dm 3 ) hatásfok: 66 % (több kapcsolva: 8,4 V) MH + OH M + H 2 O + e NiO(OH) + H 2 O + e Ni(OH) 2 + OH André-akkumulátor:,5-,6 V elektrolit: K 2 [Zn(OH) 4 ]-tal telített 40 %-os KOH, eüst-peroxid miatt drága, hatásfok: 90-95 % 2 Zn + 4 OH 2 Zn(OH) 2 + 4 e Ag 2 O 2 + 4 e 2 Ag + 4 OH Tüelőanyag elemek: égési folyamat két résreakciója térben elválastva poróus elektródokon megy végbe hatásfok: 75-90 % hidrogén-oxigén tüelőanyag-cella 2 H 2 + 4 OH 4 H 2 O + 4 e O 2 + 2 H 2 O + 4 e 4 OH 5