Elektrokémiai gyakorlatok Az elektromos áram hatására bekövetkezı kémiai változásokkal, valamint a kémiai energia elektromos energiává alakításának folyamataival, törvényszerőségeivel foglalkozik. A változást kísérı reakciókat redoxireakcióknak nevezzük, ugyanis a folyamatban szereplı elemek egy részének megváltozik az oxidációs foka, azaz redukálódnak, avagy oxidálódnak. Amennyiben elektron felvétel történik, a folyamatot redukciónak, amennyiben pedig elektron leadás történik úgy oxidációnak nevezzük. A redoxireakciók így szétbonthatók két félreakcióra: egy oxidációs és egy redukciós reakcióra. Ezek a reakciók térben is szétválaszthatók, ha közben biztosítjuk a rendszerek között az ion és elektronáramlást. Így a két félcellából egy galváncellát hozhatunk létre, ezek közt potenciálkülönbség mérhetı. A galváncella tehát két elektródból áll, egyiken oxidáció (ezt nevezzük anódnak), a másikon (katód) pedig redukció zajlik. Elektródon a fémes vezetı és az elektrolit együttesét értjük. Az elektródpotenciált a Nernst egyenlet segítségével adható meg: E=E 0 RT + lnc, zf ahol E 0 a kérdéses redoxirendszer standard elektródpotenciálja, R az egyetemes gázállandó, T a termodinamikai hımérséklet, z a töltésszám, F a Faraday állandó, c pedig az elektrolit koncentrációja. Amennyiben a cellánk terhelésmentes, azaz nem folyik rajta áram (és a ún. diffúziós potenciált is kiküszöböljük), akkor az elektródok között mért potenciálkülönbséget elektromotoros erınek (E ME ) nevezzük. Definiciószerően: E ME =E katód -E anód Mivel csak két elektród között tudunk potenciálkülönbséget mérni, ezért összehasonlító elektródként a standard hidrogénelektród potenciálját választották, ez definíció szerint 0,00 V. A gyakorlat során 4 kísérleti feladatot kell végrehajtaniuk és értelmezniük. 1. Fémek oldódása híg savakban: A rendelkezésükre álló fémreszelékekbıl (magnézium, zink, vas, réz) tegyenek külön-külön egy-egy kémcsıbe pár darabkát. Mindegyikhez adjanak néhány cm 3 10 tömegszázalékos HCl oldatot. Figyeljék meg a változásokat. Azokban a kémcsövekben, ahol nem tapasztalnak változást, óvatosan gázláng felett melegítsék meg. A melegítés szabályait a balesetvédelmi oktatáson elmondottak alapján végezzék, ügyeljenek saját és társaik testi épségére! A tapasztalatokat a magyarázatokkal, rendezett reakcióegyenletekkel együtt írják a jegyzıkönyvükbe! A magyarázatokhoz szükséges elektrokémiai adatokat (standard elektródpotenciálokat) megtalálják például a négyjegyő függvénytáblázatukban is! 2. Halogenidek kiszorításos reakciói: 3 db üres kémcsı közül kettıbe töltsön 2-3 cm 3 káliumjodid, a harmadikba pedig 2-3 cm 3 kálium-bromid oldatot. A fenti oldatokhoz öntsön kb. ugyanennyi szén-tetrakloridot. Az elsı kémcsı tartalmához öntsön 2-3 cm 3 brómos vizet, a másik kettıhöz pedig klóros vizet. A kémcsövek száját befogva jól rázza össze a kétfázisú rendszert. Figyelje meg milyen változás történik, és a tapasztalatokat a magyarázatokkal együtt írja le a jegyzıkönyvébe, ha ismeretes, hogy a jód lila-, a bróm pedig barna színnel oldódik a szerves fázisban!
3. Daniell-elem összeállítása: Ha réz-szulfát-oldatba cinkrudat mártunk, a cinkrúd felületén hamarosan rézlerakódást tapasztalunk. Eközben az oldat szulfát-ion tartalma nem változik, a végbemenı folyamat: Zn+CuSO 4 ZnSO 4 +Cu A cinkatomok két elektront adnak át a rézionoknak, amelyek ezután az ionos formában oldatba menı cinkatomok helyére fémréz formájában kiválnak: Zn+Cu 2+ Zn 2+ +Cu A töltéscsere önként megy végbe. A természetben minden önként végbemenı folyamat munka végzésére használható fel. Az elızı kísérleti elrendezésben a folyamat spontán játszódott le, de nem termelt munkát. Munkavégzésre úgy tudjuk felhasználni a folyamatot, hogy a cink elektron leadását és a rézionok elektron felvételét térben elválasztjuk egymástól. Végezzük úgy a kísérletet, hogy cinklemezt ismert koncentrációjú cink-szulfát-, rézlemezt pedig ismert koncentrációjú réz-szulfát oldatba merítjük, a két oldat közé pedig egy sóhidat helyezünk, ami biztosítja az elektron- és az ionvándorlást a két oldat között. Ezt az összeállítást a következıképpen írjuk le: Zn(s) Zn 2+ (aq) 1M Cu 2+ (aq) 1M Cu(s) A cink- és a rézrudat elektromos vezetıvel összekötve az elızıleg ismertetett folyamatok térben elkülönítve játszódnak le, így az elektródok között levı potenciálkülönbség munkavégzésre felhasználható. Ez a galvánelem a Daniell-féle elem. Mérjék meg az összeállított galvánelem elektromotoros erejét, és hasonlítsák össze az elméletileg számítható értékkel! A számításhoz szükséges adatok: E 0 2+ Zn / Zn = 0,762V, E 0 2+ Cu / Cu =0,345V, F=96485 C/mol és R=8,314 J/(mol K). 4. Póluspapír készítése: Pólus papírt úgy készítünk, hogy egy szőrıpapír csíkot vágunk, s azt indikátort is tartalmazó sóoldattal (fenolftaleines Na 2 SO 4 oldat) átitatjuk. A fenolftaleines oldat színe piros lesz amennyiben az oldat kémhatása lúgos lesz. Az így elıkészített szőrıpapírcsíkot egy óraüvegre helyezzük Az elızı részben összeállított Daniell elem két pólusánál levı drótot a szőrıpapírcsík két végéhez érintjük egy pár percig. A feszültség különbség hatására a nedves szőrıpapír végein vízbontás történik, az egyik pólusnál oxidáció során oxigéngáz keletkezik, miközben az oldat kémhatása savas lesz, a másik végén pedig hidrogéngáz fejlıdik, miközben az oldat kémhatása lúgossá válik. Így a póluspapír egyik végéhez érintett drótdarab körül a papír megpirosodik. Jegyezze fel a tapasztalatot a jegyzıkönyvébe és értelmezze azt! Ellenırzı kérdések 1. Milyen folyamat a redukció? 2. Milyen folyamat az oxidáció? 3. Mi az oxidálószer? 4. Mi az anód? 5. Mi az katód? 6. Mik a kationok? 7. Mi az redukálószer? 8. Mitıl függ az elektródpotenciál? 9. Definiálja az elektromotoros erıt! 10. Mi a mértékegysége az elektródpotenciálnak? 11. Írja fel a halogenidek kiszorítására vonatkozó ionegyenleteket! 12. Mit nevezünk elektródnak? 13. Írja fel a Daniell-féle galvánelemben lejátszódó anódos és katódos folyamatokat! 14. Írja fel a Nernst egyenletet!
15. Milyen kémhatásnál piros a fenolftalein indikátor? 16. Miért a negatív pólus a piros színő? 17. Írja le a póluspapíron lejátszódó elektrolízisnél az anódos és katódos folyamatokat!
1. Tapasztalatok a különbözı fémek híg savban való oldódásakor: Mg: Zn: Fe: Cu: Reakcióegyenletek: Magyarázat:
2. Halogenidek kiszorításos reakciói: Tapasztalatok: 1. kémcsı: 2. kémcsı: 3. kémcsı: Reakcióegyenletek: Magyarázat:
3. Daniell elem készítése: Mért elektromotoros erı: Számított elektromotoros erı: Adatok: T= c(cuso 4 )= c(znso 4 )= Számítás: Összehasonlítás, magyarázat:
4. Póluspapír készítése: Tapasztalat: Reakcióegyenletek: Magyarázat: