Elekrtokémia 1
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
1 Cu 2+ (aq) + Zn(sz) = Cu(sz) + Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) + 2e - = Cu(sz) Zn(sz) = Zn 2+ (aq) + 2e - Cu 2+ (aq) + Zn(sz) = Cu(sz) + Zn 2+ (aq)
Galvánelemek 1 A galváncellák olyan berendezések, amelyek kémiai energiát alakítanak át elektromos energiává. Zn Zn 2+ + 2e - Oxidáció Cu 2+ + 2e - Cu Redukció
Anód: elektród, amelyen oxidáció megy végbe Katód: elektród, amelyen redukció megy végbe A galvánelem két elektródja közötti potenciálkülönbség: E = (katód) (anód) E = elektromotoros erő (V), ha a galvánelemen nem halad át áram - Zn ZnSO 4 (1 mol/dm 3 ) CuSO 4 (1 mol/dm 3 ) Cu + 5
Az elektródpotenciál. Az elektromos kettősréteg fémelektród oldat ne - _ + _ + _ + _ + _ + Me n+ elektromos kettősréteg elektródpotenciál Elektródfolyamat: Me Me n+ + ne - 6
A standard hidrogénelektród 7
Elektródpotenciál, standard elektródpotenciál A vizsgált elektródból és a standard hidrogénelektródból összeállított galvánelem elektromos erejét nevezik az illető elektród elektródpotenciáljának ( ).
Egy elem standardpotenciálja anyagi állandó, amely azt jelzi, hogy az elem mekkora hajlandóságot mutat arra, hogy vizes oldatban iont képezzen. 1
Elektródpotenciál Az oldat és a fém között kialakuló potenciál nem mérhető, csak valamihez viszonyított potenciálkülönbség. A viszonyítási alap: a normál hidrogénelektród, amelynek elektródpotenciálja (önkényesen) o = 0 V Ha a normál hidrogénelektródot bármely más elektróddal galvánelemmé kapcsoljuk, az e.m.e. a kérdéses elektród elektródpotenciálját adja meg: E = o (X) o (H 2 ) Pl. rézelektród (Cu/Cu 2+ ) hidrogénelektród E = o (Cu) o (H 2 ) = +0,34 V, tehát o (Cu) = + 0,34 V 10
Néhány standard elektródpotenciál, ill. a belőlük összeállítható galvánelemek elektromotoros ereje (E o ) 11
Az elektrokémiai feszültségsorozat (normálpotenciálok 25 o C-on) Elektródfolyamat 12
Az elektródpotenciál koncentrációfüggése (Nernst-egyenlet) = o + RT n.f lnc 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. = o + 0,05916 n lgc A Daniell-elem elektromotoros ereje eme = ε - ε + 0 Cu o Zn RT nf ln c c Cu Zn Walther Nernst (1867-1941) 13
Koncentrációs elemek A koncentrációs elemek olyan galvánelemek, amelyek két egyforma minőségű elektródból épülnek fel, de koncentrációjuk eltérő. Cu Cu 2+ (0,1 mol/dm 3 ) (1) = o + 0,05916 2 Cu 2+ (1,0 mol/dm 3 ) Cu lg 0,1 (2) = o + 0,05916 2 lg 1,0 E = (2) (1) = 0,05916 2 lg 1,0 0,1 = 0,0296 V
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 AgCl Cl - Ag + = o (Ag) + = o (Ag) + konstans RT n.f lnc(ag+ ) L = c(ag + ). c(cl - ) RT n.f ln L c(cl - ) konstans (Ag/AgCl) = 0,2894 V 15
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 lgc(h + ) e(ref) = konstans E = e(ü) e(ref) 16
Üvegelektród 17
A ph elektrokémiai mérése 18
Polimer (folyadék) membrán elektródok Porózus hidrofób membrán ioncserélő folyadék [(RO) 2 POO] 2 Ca 2(RO) 2 POO - + Ca + membrán membrán oldat E h = K + 0,059 2 lgca 2+ 5x10-7 mol/dm 3 19
Lechlanché-elem Anód (oxidáció): Zn(s) + 2OH - (aq) ZnO(s) + H 2 O(l) + 2e - Katód (redukció): MnO 2 (s) + 2H 2 O(l) + 2e - Mn(OH) 2 (s) + 2OH - (aq) Bruttó reakció: Zn(s) + MnO 2 (s) + H 2 O(l) ZnO(s) + Mn(OH) 2 (s) E cell = 1.5 V 20
Üzemanyagcellák 21
Üzemanyagcella Anód (oxidáció): 2H 2 (g) 4H + (aq) + 4e - Katód (redukció): O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e - 2H 2 O(g) Bruttó reakció: 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(g) E cell = 1.2 V
Üzemanyagcellák 23
A tüzelőanyag-elem (tüzelőanyag-cella vagy üzemanyagcella) kémiai áramforrás, amelyben az áramtermelő folyamat valamilyen tüzelőanyag (pl. földgáz, gázolaj, szén, hidrogén, alkohol ) oxidációja. működésük közben az áramtermelő reakcióban részt vevő anyagokat folyamatosan táplálják be, a keletkező termékeket pedig elvezetik, Nem "merülnek ki" 24
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 25
Rozsdásodás A vas oxidációja: Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2e - O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e - 2H 2 O(l) [anód; oxidáció] [katód; redukció] 2Fe(s) + O 2 (g) + 4H + (aq) 2Fe 2+ (aq) + 2H 2 O(l) [bruttó egyenlet] Teljes folyamata a rozsdásodásnak: 2Fe 2+ (aq) + ½O 2 (g) + (2 + n)h 2 O(l) Fe 2 O 3 nh 2 O(s) + 4H + (aq) H + ionok szükségesek az első lépéshez, a ph csökkentése növeli a folyamat sebességét. H + katalizátorként működik, mert a második lépésben keletkezik. (visszakapjuk a katalizátort)
Rozsdásodás
Rozsdásodás tengervízben A magas ion koncentráció növeli a reakciósebességet
Figure 21.24 Helyi elemek kialakulása Vas és réztárgyak érintkezésénél gyors korrózió. Katódos védelem.
Stryker Rejuvenate csípő protézis kobalt-króm mérgezés fibrinoid necrosis (pseudo-tumors) lymphocytic (lymph cell) infiltration and aggregation vasculitis 30
Elektrokémia és fogászat aranykorona fogtömés Az egymással érintkező fémek helyi elemet hoznak létre, a kevéssé nemes fém oldatba megy! 32
Alumínium fólia (ráharapás) 33
Elekrtolízis 1 HCl oldat elektrolízise (grafit elektród, egyenáram) A katódfolyamat egyenlete: 2H + + 2 e = H 2 Az anódfolyamat egyenlete: 2Cl = Cl 2 + 2 e Azt a berendezést, amelyben elektromos energiát alakítanak kémiai energiává, elektrolizáló cellának nevezik. A cellában külső áramforrás hatására végbemenő folyamatok összessége az elektrolízis. Az elektrolízishez szükséges feszültség Az elektrolízishez nagyobb feszültség szükséges, mint amekkora az adott vagy létrejött galváncella elektromos ereje.
ELEKTROLÍZIS - NaCl-olvadék elektrolízise áramforrás Gyakorlati hasznosítás: pl. nátrium ipari előállítása Redukció Oxidáció 35
A NaCl-olvadék elektrolízise (Downs-eljárás) olvadék vaselektród grafitelektród vaselektród 36
1 Oldatok NaCl elektrolízise grafit elektródon: anód: 2Cl Cl 2 + 2e katód: 2H 2 O + 2e H 2 + 2OH NaOH elektrolízise grafit elektródon: anód: 2OH 1/2O 2 + H 2 O + 2e katód: 2H 2 O + 2e H 2 + 2OH Na 2 SO 4 elektrolízise grafit elektródon: anód: H 2 O 2H + + 1/2O 2 + 2e katód: 2H 2 O + 2e H 2 + 2OH
A Na 2 SO 4 vizes oldatának elektrolízise áramforrás H 2 O H + + OH - Katódfolyamat: 2H + + 2e - H 2 Anódfolyamat: 2OH - 1/2O 2 + H 2 O + 2e - katód anód A H + - és az OH - -ionok semlegesítéséhez kisebb energia szükséges, mint a Na +, ill. SO 2-4 ionokéhoz. 38
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, 96485 C (F = N A. e = 6,022.10 23.1,6022.10-19 C) Ha az elektrolizáló cellán 96485 C elektromos töltés halad keresztül, mindkét elektródon 1 egyenértéknyi anyag alakul át (semlegesítődik). Pl. 1 mol Na, ½ mol Cu, 1/3 mol Al, ½ mol Cl 2 stb. 39