ELEKTROKÉMIAI REAKCIÓK:



Hasonló dokumentumok
B C B C B E B D B 1 C C B B C A C E E A 2 A D B A B A A C A D 3 B A A B A D A D A B 4 A

Redoxi reakciók. Redoxi reakciók. S + O 2 SO 2 CH O 2 CO H 2 O 2 Mg + O 2 2 MgO. 2 K + Cl 2 2 KCl N H 2 2 NH 3 Zn + S ZnS

Jellemző redoxi reakciók:

Redoxi reakciók Elektrokémiai alapok Műszaki kémia, Anyagtan I előadás

Elektrokémiai gyakorlatok

Általános és szervetlen kémia Laborelıkészítı elıadás VI

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2011/2012. tanév. Kémia II. kategória 2. forduló. Megoldások

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

Elektrokémiai preparátum

VEGYIPARI ALAPISMERETEK

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

Kémiai alapismeretek 11. hét

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

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

KÉMIA TEMATIKUS ÉRTÉKELİ FELADATLAPOK. 9. osztály A változat

NE FELEJTSÉTEK EL BEÍRNI AZ EREDMÉNYEKET A KIJELÖLT HELYEKRE! A feladatok megoldásához szükséges kerekített értékek a következők:

1. feladat Összesen: 10 pont

FIZIKAI KÉMIA TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ MISKOLCI EGYETEM MŐSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR KÉMIAI TANSZÉK. Fizikai kémia kommunikációs dosszié

KÉMIA. Kiss Árpád Országos Közoktatási Szolgáltató Intézmény Vizsgafejlesztő Központ 2003

KÉMIA I. RÉSZLETES ÉRETTSÉGI VIZSGAKÖVETELMÉNY A) KOMPETENCIÁK

Kémiai reakciók Műszaki kémia, Anyagtan I. 11. előadás

SZAKÁLL SÁNDOR, ÁsVÁNY- És kőzettan ALAPJAI

KÉMIA TEMATIKUS ÉRTÉKELİ FELADATLAPOK. 9. osztály C változat

KÉMIA PÓTÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI-FELVÉTELI FELADATOK június 6. du. JAVÍTÁSI ÚTMUTATÓ

KÉMIA Kiss Árpád Országos Közoktatási Szolgáltató Intézmény Vizsgafejlesztő Központ 2003

Elektrokémia. A nemesfém elemek és egymással képzett vegyületeik

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 1996

SZERVETLEN KÉMIAI REAKCIÓEGYENLETEK

Kémiai fizikai alapok I. Vízminőség, vízvédelem tavasz

29. Sztöchiometriai feladatok

1998/A/1 maximális pontszám: /A/2 maximális pontszám. 25

KÉMIA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

AZ ELEKTROKÉMIA VÁLOGATOTT ALKALMAZÁSI TERÜLETEI

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

SZAKÁLL SÁNDOR, ÁsVÁNY- És kőzettan ALAPJAI

ismerd meg! A galvánelemekrõl II. rész

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

KÉMIA I. RÉSZLETES ÉRETTSÉGIVIZSGA-KÖVETELMÉNY A) KOMPETENCIÁK

Épületgépészeti csőanyagok kiválasztási szempontjai és szereléstechnikája. Épületgépészeti kivitelezési ismeretek szeptember 6.

KÉMIA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Szűkített (8 paraméteres) talajvizsgálat: ph KCl, K A, vízben oldható összes só, humusz, mész tartalom, P 2O 5, K 2O, nkcl oldható: (NO 3+NO 2)- N

MAGYAR RÉZPIACI KÖZPONT Budapest, Pf. 62 Telefon , Fax

1. A) Elsőrendű kémiai kötések; kovalens kötés jellemzése, molekulák polaritása

A 2015/2016. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló KÉMIA II. KATEGÓRIA. Javítási-értékelési útmutató

1. feladat Összesen: 10 pont. 2. feladat Összesen: 6 pont. 3. feladat Összesen: 18 pont

Első alkalomra ajánlott gyakorlópéldák. Második alkalomra ajánlott gyakorlópéldák. Harmadik alkalomra ajánlott gyakorlópéldák

KÉMIA TANMENETEK osztályoknak

Az elemeket 3 csoportba osztjuk: Félfémek vagy átmeneti fémek nemfémek. fémek

A 2007/2008. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második fordulójának feladatlapja. KÉMIÁBÓL I. kategóriában ÚTMUTATÓ

Speciálkollégium. Dr. Fintor Krisztián Magyary Zoltán Posztdoktori Ösztöndíj TÁMOP A/ Nemzeti Kiválóság Program Szeged 2014

T I T - M T T. Hevesy György Kémiaverseny. országos döntő. Az írásbeli forduló feladatlapja. 7. osztály. 2. feladat:... pont. 3. feladat:...

Didaktikai feladat: frontális osztálymunka, egyéni munka, csoportmunka, ismétlés, tanár-diák párbeszéd, ellenőrzés, értékelés

v1.04 Analitika példatár

A javításhoz kb. az érettségi feladatok javítása az útmutató irányelv. Részpontszámok adhatók. Más, de helyes gondolatmenetet is el kell fogadni!

100% = 100 pont A VIZSGAFELADAT MEGOLDÁSÁRA JAVASOLT %-OS EREDMÉNY: EBBEN A VIZSGARÉSZBEN A VIZSGAFELADAT ARÁNYA 40%.

Anyagszerkezet és vizsgálat. 3. Előadás

Csermák Mihály: Kémia 8. Panoráma sorozat

1. Kolorimetriás mérések A sav-bázis indikátorok olyan "festékek", melyek színüket a ph függvényében

Klasszikus analitikai módszerek:

Javítókulcs (Kémia emelt szintű feladatsor)

XIV. AZ OXIGÉN, A KÉN ÉS VEGYÜLETEIK

Elektrolitok nem elektrolitok, vezetőképesség mérése

Elektrokémia a kémiai rendszerek és az elektromos áram kölcsönhatása

Szigetelők Félvezetők Vezetők

1. Melyik az az elem, amelynek csak egy természetes izotópja van? 2. Melyik vegyület molekulájában van az összes atom egy síkban?

Gyakorló feladatok. Egyenletrendezés az oxidációs számok segítségével

KÉMIA 10. Osztály I. FORDULÓ

Minta vizsgalap. I. Karikázza be az egyetlen megfelelő válasz betűjelét! (10x1 pont)

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

ELEKTROKÉMIA. BME Közlekedésmérnöki Kar Műszaki kémia labor 2. mérés. (Kémiai áramforrások, Elektrolízis, Korrózió)

EMELT SZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA

T I T - M T T. Hevesy György Kémiaverseny. országos döntő. Az írásbeli forduló feladatlapja. 8. osztály. 2. feladat:... pont. 3. feladat:...

Mágneses szuszceptibilitás vizsgálata

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

O k t a t á si Hivatal

EMELT SZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA

3. változat. 2. Melyik megállapítás helyes: Az egyik gáz másikhoz viszonyított sűrűsége nem más,

feladatmegoldok rovata

Sillabusz az Orvosi kémia szemináriumokhoz 3. Szervetlen vegyületek nevezéktana

Általános iskola (7-8. évfolyam)

KONDUKTOMETRIÁS MÉRÉSEK

A korrózió elleni védekezés módszerei. Megfelelő szerkezeti anyag alkalmazása

VÍZKEZELÉS Kazántápvíz előkészítés ioncserés sómentesítéssel

6. A TALAJ KÉMIAI TULAJDONSÁGAI. Dr. Varga Csaba

KÉMIA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

9. Osztály. Kód. Szent-Györgyi Albert kémiavetélkedő

Sillabusz az Orvosi kémia szemináriumokhoz. Pécsi Tudományegyetem Általános Orvostudományi Kar 2010/

B1: a tej pufferkapacitását B2: a tej fehérjéinek enzimatikus lebontását B3: a tej kalciumtartalmának meghatározását. B.Q1.A a víz ph-ja = [0,25 pont]

KÉMIA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

(3) (3) (3) (3) (2) (2) (2) (2) (4) (2) (2) (3) (4) (3) (4) (2) (3) (2) (2) (2)

VIII. ELEKTROMOS ÁRAM FOLYADÉKOKBAN ÉS GÁZOKBAN

B. feladat elvégzendő és nem elvégzendő kísérletei, kísérletleírásai. 1. Cink reakciói

KÖZÉPSZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA

A kémiai egyensúlyi rendszerek

Elektronátadás és elektronátvétel

7. előadás

Bemutatkozás, a tárgy bemutatása, követelmények. Munkavédelmi tájékoztatás.

m n 3. Elem, vegyület, keverék, koncentráció, hígítás m M = n Mértékegysége: g / mol elem: azonos rendszámú atomokból épül fel

[GVMGS11MNC] Gazdaságstatisztika

KÉMIA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Átírás:

1.8 ELEKTROKÉMIA ELEKTROKÉMIAI REAKCIÓK: ~ olyan heterogén redoxireakciók, amelyekben az oxidáció és a redukció mindig a folyadék (elektrolit) és a szilárd anyag (elektród) határfelületén megy végbe. Az oxidáció és a redukció térben egymástól elkülönítve zajlik, miközben elektromos energia termelődik. Az elektrokémiai reakciók során a kémiai energia és az elektromos energia egymásba való kölcsönös átalakulása történik. Az elektrokémiai reakciók nem azonosak a kémiai redoxireakciókkal: Kémiai redoxireakció Elektrokémiai reakció Elektronátmenet: közvetlen fémes vezetőn keresztül Energiaváltozás: hőenergia elektromos energia Végbemenő folyamat: oxidáció és redukció A GALVÁNELEM: ~: olyan berendezés, amely kémiai energiát alakít át elektromos energiává. Részei: 2 elektród, fémes vezető, diafragma - Elektród: egy elem redukált vagy oxidált alakját tartalmazó rendszer, amely elektrolitot és vele érintkező fémet vagy fémes vezetőt tartalmaz. Példa: Cu(sz) Cu 2+ (aq) fém elektrolit (pl. CuSO 4 -oldat) Anód: olyan elektród, amelynek a felületén oxidáció megy végbe. A galvánelem anódja a visszamaradó elektronok miatt negatív töltésű. Katód: olyan elektród, amelynek a felületén redukció megy végbe. A galvánelem katódja az ideáramló kationok miatt pozitív töltésű. Hidrogénelektród: platinaelektródot helyezünk savoldatba, majd a savoldaton keresztül hidrogéngázt buborékoltatunk át, amely adszorbeálódik (megkötődik) a platinán, és így alakul ki a hidrogén oxidált és redukált alakjából álló redoxirendszer. H(Pt) H + (aq) - Fémes vezető: fémhuzal, amely összeköti az elektródokat és így biztosítja az elektronok mozgását az elektródok között. - Diafragma: olyan porózus anyagból vagy sóval telített gélből (sóhíd) álló határfelület, amely az elektrolitok keveredését megakadályozza, de az ionok diffúziója révén biztosítja a töltéskiegyenlítődést (az áramkör záródását). A galvánelem működése: (példának véve a Daniell-elemet) Ha a galvánelem elektródjai között nem hozunk létre fémes összeköttetést: (egyensúlyi állapot) Anód (-): A cink (Zn) ionok alakjában (Zn 2+ ) oldódni igyekszik a ZnSO 4 oldatban, miközben elektronokat hagy vissza. A fém így negatív töltésű, az oldat pedig pozitív töltésű lesz. A fémen visszamaradó elektronok és az oldatba jutott pozitív ionok azonban vonzzák egymást, ezért a fém és az oldat érintkezési felületén elektromos kettősréteg alakul ki. A határfelületen felhalmozódó pozitív ionok taszító hatása miatt az elektromos kettősréteg megakadályozza, hogy további ionok jussanak az oldatba, ugyanakkor a fém és az oldat között potenciálkülönbséget okoz, amit elektródpotenciálnak nevezünk. Katód (+): A rézelektródnál a helyzet éppen fordított. Az elektrolitban levő rézionok (Cu 2+ ) igyekeznek a rézelektród (Cu) felületére kiválni. A fém így pozitív töltésű, az oldat pedig a felesleges anionoktól (SO 4 2- ) negatív töltésű lesz. A határfelületen felhalmozódó pozitív ionok taszító hatása miatt az elektromos kettősréteg megakadályozza, hogy további ionok váljanak ki a fémelektród felületére, ugyanakkor a fém és az oldat között potenciálkülönbséget okoz. Ha a galvánelem elektródjai között fémes összeköttetést hozunk létre: A cink által leadott elektronok csak a vezetődróton keresztül juthatnak el a rézionokhoz, miközben a cinklemez oldódik, a rézlemezen pedig réz válik ki. A galvánelem jelölése: Példa: - Zn(sz) ZnSO 4 (aq) CuSO 4 (aq) Cu(sz) + pólus fém határfelület elektrolit diafragma elektrolit határfelület fém pólus Amennyiben a vegyület jól oldódik az oldószerben (vízben), csak azt az iont tüntetjük fel, amelyik a potenciál kialakításáért felelős, vagyis a fenti galvánelem még egyszerűbb jelölése: - Zn(sz) Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) Cu(sz) +

A Daniell-elem: ~: olyan galvánelem, amelyben Zn Zn 2+ és Cu 2+ Cu elektródok vannak. Az anódon lejátszódó oxidáció: Zn Zn 2+ + 2e - A katódon lejátszódó redukció: Cu 2+ + 2e - Cu Bruttó egyenlet: Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu AZ ELEKTRÓDPOTENCIÁL: ~: a fémes vezető és az elektrolitoldat közötti egyensúlyi potenciálkülönbség (feszültség), amelyet akkor mérünk, ha a galvánelemen nem halad át áram. Jele: ε Mértékegysége: V (volt) Az elektródpotenciál függ: - az elektrolit és a fém anyagi minőségétől - az elektrolit koncentrációjától (c) - a hőmérséklettől (T) - gázelektródok esetén a nyomástól (p) Az elektródpotenciál abszolút értéke nem határozható meg, ezért viszonyítási rendszert hoztak létre: választottak egy olyan vonatkoztatási elektródot, amelyhez az összes többi elektród potenciálját viszonyítjuk. Ez a vonatkoztatási elektród a standard hidrogénelektród, melynek részei: - 0,101MPa nyomású, 25 C-os hidrogéngáz (H 2 ) - 1mol/dm 3 oxóniumion-koncentrációjú elektrolit (H + ) - finom eloszlású platinával bevont platinaelektród (a platina nem vesz részt az elektródreakcióban, csupán adszorbeálja a hidrogéngázt). A standard hidrogénelektród elektródpotenciálja megállapodás szerint: 0V. A STANDARDPOTENCIÁL: ~: egy adott kémiai elemre vonatkozó állandó, amely számszerűleg megegyezik annak a galvánelemnek az elektromotoros erejével (elektródjai között mért maximális potenciálkülönbséggel), amelynek egyik elektródja a standard hidrogénelektród, a másik pedig az adott elemből készült elektród. Így a standardpotenciál megmutatja, hogy az adott elem és a hidrogén között mekkora a potenciálkülönbség. Jele: ε Mértékegysége: V (volt) Előjele: + vagy Az elemek standardpotenciálja egyenesen arányos redukálóképességükkel: - Ha egy fém a hidrogénnél könnyebben ad le elektront (könnyebben oxidálódik), akkor standardpotenciálja negatív (-). Példa: K, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb - Ha egy fém a hidrogénnél nehezebben ad le elektront (nehezebben oxidálódik), akkor standardpotenciálja pozitív (+). Példa: Cu, Hg, Ag, Pt, Au K Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au redukálóképesség 0-2,93 standardpotenciál +1,50 0,8 elektronegativitás 2,4 Egy galvánelemben az a fémelektród az anód, amelyiknek - nagyobb a redukálóképessége (könnyebben oxidálódik) - negatívabb a standardpotenciálja - kisebb az elektronegativitása - negatív pólusú Egy galvánelemben az a fémelektród a katód, amelyiknek - kisebb a redukálóképessége (nehezebben oxidálódik) - pozitívabb a standardpotenciálja - nagyobb az elektronegativitása - pozitív pólusú Az egyes elemek standardpotenciál-értékeit lásd: Négyjegyű függvénytáblázatok: 324-326. o. Az elemek standardpotenciál-értékei standard körülményekre vonatkoznak, vagyis a hőmérséklet: T = 25 C, a nyomás: p = 0,101MPa, az elektrolit ionkoncentrációja: c = 1mol/dm 3.

Az elektródpotenciál meghatározása nem standard körülmények között: az ún. Nernst-egyenlet segítségével ε = ε +(RT/zF) lnc, ahol ε az aktuális elektródpotenciál ε - a fém standardpotenciálja R egyetemes gázállandó, értéke: 8,3145J/molK T hőmérséklet z a fém oxidációsszám-változása F Faraday-féle szám, értéke: 96500 C/mol c a fémion koncentrációja Az állandókat behelyettesítve és a tízes alapú logaritmusra áttérve az elektródpotenciál 25 C-on: ε = ε +(0,059/z) lgc AZ ELEKTROMOTOROS ERŐ: ~: a két elektród közötti maximális potenciálkülönbség (feszültség), amelyet akkor mérünk, ha a galvánelemen nem halad át áram. Az elektromotoros erő megállapodás szerint pozitív érték. Jele: E ME Mértékegysége: V (volt) Előjele: + Az elektromotoros erőt az elektródpotenciálok különbsége adja meg: E ME = ε(katód) ε(anód) A standard galvánelemben standard körülmények uralkodnak, vagyis az elektrolit ionkoncentrációja egységnyi (általában 1mol/dm 3 ), a hőmérséklet 25 C, a nyomás 0,101MPa. A standard galvánelem elektromotoros ereje: E ME = ε (katód) ε (anód) A Daniell-elem esetében: E ME = ε (Cu 2+ /Cu) - ε (Zn 2+ /Zn) = 0,34V - (-0,76V) = 1,10V A REDOXIREAKCIÓK IRÁNYÁNAK BECSLÉSE A STANDARDPOTENCIÁLOK ALAPJÁN: - A kisebb standardpotenciálú redoxirendszer redukált alakja redukálni képes a nagyobb standardpotenciálú redoxirendszer oxidált alakját. Példa: Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu ε =-076V ε =0,34V redukált alak oxidált alak A Zn redukálja a rezet (elektronfelvételre készteti). másképpen: - A nagyobb standardpotenciálú redoxirendszer oxidált alakja oxidálni képes a kisebb standardpotenciálú redoxirendszer redukált alakját. Példa: Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu ε =-076V ε =0,34V redukált alak oxidált alak A Cu 2+ oxidálja a cinket (elektronleadásra készteti). Tehát a reakció csak akkor megy végbe, ha - a kisebb standardpotenciálú redoxirendszer redukált alakú - a nagyobb standardpotenciálú redoxirendszer oxidált alakú Redoxireakciók fémek között: Példa: Zn + Fe 2+ = Zn 2+ + Fe ε =-0,76V ε =-0,44V redukált alak oxidált alak A Zn redukálja a vasat (elektronfelvételre készteti), a Fe 2+ oxidálja a cinket (elektronleadásra készteti). Zn 2+ + Fe Zn + Fe 2+ ε =-0,76V ε =-0,44V oxidált alak redukált alak A reakció nem játszódik le! Redoxireakciók nemfémek között: Példa: Cl 2 + 2I - = 2Cl - + I 2 (valós egyenlet: Cl 2 + 2KI = 2KCl + I 2 ) ε =+1,36V ε =+0,54V oxidált alak redukált alak A I - redukálja a klórt (elektronfelvételre készteti), a Cl 2oxidálja a jódot (elektronleadásra készteti). 2Cl - + I 2 2I - + Cl 2 ε =+1,36V ε =+0,54V redukált alak oxidált alak A reakció nem játszódik le!

Fémek reakciója savakkal: - A negatív standardpotenciálú fémek savakban hidrogéngáz fejlődése közben oldódnak. - A pozitív standardpotenciálú fémek savakban vagy nem oldódnak, vagy nem hidrogéngáz fejlődése közben oldódnak. Példa: 2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 ε =-1,66V Az alumínium standardpotenciálja negatív, ezért savakkal való reakciója során hidrogéngáz fejlődik. Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 ε =-0,76 A cink standardpotenciálja negatív, ezért savakkal való reakciója során hidrogéngáz fejlődik. Cu + 2HCl CuCl 2 + H 2 ε =+0,34V A réz standardpotenciálja pozitív, ezért nem oldódik a sósavban. Cu + 4HNO 3 = Cu(NO 3 ) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O ε =+0,34V A réz standardpotenciálja pozitív, ezért a salétromsavval való reakciója során nem hidrogéngáz, hanem nitrogén-dioxid fejlődik. Fémek reakciója vízzel: - Vízből csak azok a fémek fejleszthetnek hidrogént, amelyek standardpotenciálja kisebb, mint -0,83V. Példa: K, Ca, Na, Mg, Al, Mn magyarázat: 2H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH - ε =-0,83V a víz redukciója 2H 2 O = O 2 + 4H + + 4e - ε =+1,23V a víz oxidációja Példa: 2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2 ε =-2,71V A nátrium standardpotenciálja kisebb, mint -0,83V, ezért a vízzel való reakciója során hidrogéngáz fejlődik. 2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 ε =-1,66V Az alumínium standardpotenciálja kisebb, mint -0,83V, ezért a vízzel való reakciója során hidrogéngáz fejlődik. Zn + H 2 O Zn(OH) 2 + H 2 ε =-0,76V A cink standardpotenciálja nagyobb, mint -0,83V, ezért a vízzel való reakciója során nem fejlődik hidrogéngáz, a reakció nem megy végbe! FONTOS MEGJEGYZÉS: Adott kísérletben a reakció végbemenetelének vizsgálatakor fontos figyelembe vennünk, hogy a standardpotenciál-értékek 1mol/dm 3 ionkoncentráció esetében érvényesek, ezért ha a kísérletben az ionkoncentráció nem 1mol/dm 3, az elektródpotenciálértékek eltérhetnek a standardpotenciál-értékektől. A Nernst-egyenlet ismeretében kiszámíthatjuk az aktuális elektródpotenciálértékeket, azonban elmondhatjuk, hogy ha a reakciópartnerek standardpotenciálja között legalább 0,1V különbség van, akkor a reakció végbemenetelét és irányát reálisan megbecsülhetjük. AZ ELEKTROLÍZIS: ~: az elektrolizáló cellában lejátszódó folyamat, amely során az elektromos áram hatására játszódik le kémiai redoxireakció. A galváncellában lejátszódó folyamattal ellentétes irányú folyamat, mert ott kémiai redoxireakció hatására termelődik elektromos áram. Elektrolizáló cella: az a berendezés, amelyben az elektrolízis lejátszódik. Részei: - megfelelő feszültségű egyenáramforrás - két közömbös (indifferens, a reakcióban nem résztvevő) grafitelektród - U alakú cső - elektrolit (olyan oldat vagy olvadék, amelyben a töltéssel rendelkező részecskék szabadon elmozdulhatnak) Az elektrolizáló cella működése: Ha az elektrolit oldatába merülő elektródokat egyenáramforrás sarkaival kötjük össze, akkor kellő feszültségkülönbség hatására az oldatban elektrolízis indul meg. Katód (-): Itt az áram az elektródból az elektrolitba lép, így az elektronok az ott levő kationokat részben vagy egészben semlegesítik. A negatív töltésű elektród felületén tehát redukció (elektronfelvétel) történik. Anód (+): Itt az elektrolitban levő negatív ionok adják át elektronjaikat az elektródot alkotó fémnek, amelyben azok továbbhaladhatnak. A pozitív töltésű elektród felületén tehát oxidáció (elektronleadás) történik.

FONTOS MEGJEGYZÉS: Az anód felületén mindig oxidáció történik, a katód felületén pedig mindig redukció. Mégis különbség van a galváncella és az elektrolizáló cella anódja és katódja között. A galváncellában az anód a negatív és a katód a pozitív pólus, az elektrolizáló cellában az anód a pozitív és a katód a negatív pólus: Katód Anód Elektródfolyamat típusa redukció oxidáció A galváncellában + pólus - pólus Az elektrolizáló cellában - pólus + pólus Galvánelemből elektrolizáló cella: A galvánelemben is megfordíthatjuk a folyamatok irányát, ha külső áramforrást alkalmazunk. A folyamatos elektrolízishez az szükséges, hogy az egyenáramú áramforrás feszültsége (ún. bomlásfeszültség) meghaladja a galvánelem elektromotoros erejét. Például a standard Daniell-elemet úgy alakíthatjuk elektrolizáló cellává, hogy a negatív pólusú cinkelektródra kapcsoljuk az áramforrás negatív, a pozitív rézelektródra a pozitív pólust, és 1,10V-nál nagyobb feszültséget kapcsolunk rá. Ekkor megindul a cinkionok redukciója (Zn 2+ + 2e - Zn) és a réz oxidációja (Cu Cu 2+ + 2e - ). Elektrolízis ionvegyületek olvadékában: Az olvadék pozitív töltésű ionjai a negatív töltésű katód felé, negatív töltésű ionjai pedig a pozitív töltésű anód felé vándorolnak, ahol semlegesítődnek. Példa: Sósav elektrolízise: katódfolyamat: A negatív töltésű katódhoz a pozitív töltésű hidrogénionok (H + ) vándorolnak, és ott semlegesítődnek, így színtelen, szagtalan, éghető hidrogéngáz képződik: 2H + + 2e - H 2 anódfolyamat: A pozitív töltésű anódhoz a negatív töltésű kloridionok (Cl - ) vándorolnak, és ott semlegesítődnek, így sárgászöld, szúrós szagú klórgáz képződik: 2Cl - + 2e - Cl 2 Elektrolízis vizes oldatokban: Vizes oldatokban az oldott vegyület ionjain kívül a víz oxóniumionjai (H 3 O + ) és hidroxidionjai (OH - ) is jelen vannak. Így előfordulhat, hogy az elektrolízis során a vegyület kationja helyett a víz oxóniumionja redukálódik, a vegyület anionja helyett pedig a víz hidroxidionja oxidálódik. Az oldatban levő ionok leválási potenciáljuk sorrendjében válnak le az elektródokon. Kationok leválási sorrendje: 1. pozitív standardpotenciálú fémek 2. negatív standardpotenciálú fémek többsége 3. oxóniumion (H 3 O + ) 4. Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+, Al 3+ Anionok leválási sorrendje: 1. egyszerű anionok (pl.: F -, Cl -, Br -, I -, S 2- ) 2. hidroxidion (OH - ) 3. összetett anionok (pl.: SO 4 2-, PO 4 3-, CO 3 2-, stb.) Ha az elektrolízis során a víz ionjai vesznek részt a redukciós folyamatban, akkor a következő reakciók játszódnak le: katódfolyamat: - savas kémhatású elektrolitban: 2H 3 O + + 2e - 2H 2 O + H 2 (redukció) - semleges vagy lúgos kémhatású elektrolitban: 2H 2 O + 2e - 2OH - + H 2 anódfolyamat: - lúgos kémhatású elektrolitban: 4OH - 2H 2 O + 2O 2 + 4e - (oxidáció) - semleges vagy savas kémhatású elektrolitban: 2H 2 O 4H + + O 2 + 4e - Példák: - H 2 SO 4 -oldat elektrolízise: katódfolyamat: 2H 3 O + + 2e - 2H 2 O + H 2 anódfolyamat: 4OH - 2H 2 O + 2O 2 + 4e - A kénsavoldat elektrolízise során tulajdonképpen vízbontás történik, az oldat töményedik. - CuSO 4 -oldat elektrolízise: katódfolyamat: 2Cu 2+ + 4e - 2Cu anódfolyamat: 2H 2 O 4H + + O 2 + 4e - A réz(ii)-szulfát oldat elektrolízise során az oldat savanyodik, végül kénsavoldatot kapunk.

- ZnI 2 -oldat elektrolízise: katódfolyamat: Zn 2+ + 2e - Zn A cink standardpotenciálja negatív, ezért redukálásához a galvánelemekben mért anódfolyamat: 2I - I 2 + 2e - potenciálok alapján várhatónál nagyobb feszültségre, ún. túlfeszültségre van szükség. Túlfeszültség alkalmazásával számos negatív standardpotenciálú fém is leválasztható vizes oldatából. A cink-jodid oldat elektrolízise során az oldat hígul. - NaCl-oldat elektrolízise: katódfolyamat: 2H 2 O + 2e - 2OH - + H 2 anódfolyamat: 2Cl - Cl 2 + 2e - A nátrium-klorid-oldat elektrolízise során az oldat lúgosodik. - Na 2 SO 4 -oldat elektrolízise: katódfolyamat: 2H 2 O + 2e - 2OH - + H 2 anódfolyamat: 2H 2 O 4H + + O 2 + 4e - A nátrium-szulfát oldat elektrolízise során tulajdonképpen vízbontás történik, az oldat töményedik. - NaOH-oldat elektrolízise: katódfolyamat: 2H 2 O + 2e - 2OH - + H 2 anódfolyamat: 2OH - H 2 O + O 2 + 2e - A nátrium-hidroxid-oldat elektrolízise során az oldat töményedik. FARADAY TÖRVÉNYEI: I. törvény: elektrolíziskor az egyes elektródokon leválasztott anyag tömege (m) egyenesen arányos az elektrolízis időtartamával (t) és az alkalmazott áramerősséggel (I): m ~ I t m = k I t, ahol k elektrokémiai egyenérték II. törvény: elektrolíziskor a semlegesítődő ionok anyagmennyisége (n) egyenesen arányos a semlegesítéshez szükséges töltéssel (Q=I t): n ~ Q, ill. n ~ I t Q z n = 96500C/mol, ahol z az ion töltésszáma Q F = z n = 96500C/mol Faraday-állandó A két törvényt egyesítve: m = k I t m = k Q I t = Q k = k = m Q m z F n Q = z F n (II. törvény alapján) k = M z F ahol M az ion moláris tömege Az I. törvényt leíró képletbe behelyettesítve: m = M I t z F AZ ELEKTROKÉMIA GYAKORLATI VONATKOZÁSAI: - Az elektrokémia elvein alapszik a zsebtelepek és az akkumulátorok működése (elektrolitjuk veszélyes hulladéknak számít). - Galvanizálás: a fémtárgyat elektrolitikus úton valamilyen más fém vékony rétegével vonjuk be. Ennek célja lehet a korrózióvédelem (pl. nikkelezéssel), a mechanikai kopással szembeni ellenállóképesség növelése (pl. krómozással), elektromos vezetés növelése (pl. ezüstözéssel, rézbevonattal). - Az elektrolízist használják fel egyes fémek vegyületeikből történő előállítására. Megfelelő fémelektród (pl. Hg, Pb) használatával a hidrogén túlfeszültsége miatt számos negatív standardpotenciálú fém is vizes oldatából leválasztható. Ezen az elven alapszik a timföld-elektrolízis és a kősó elektrolízise:

1. Alumínium előállítása: - Bayer-féle alumíniumgyártás: - timföldgyártás: - feltárás: Al(OH) 3 + NaOH = Na[Al(OH) 4 ] (vízoldható) - hevítés: Na[Al(OH) 4 ] Al(OH) 3 + NaOH - termikus bontás: 2Al(OH) 3 Al 2 O 3 + 3H 2 O - timföld elektrolízise: A timföldet (Al 2 O 3 ) kriolitban (Na 3 AlF 6 ) oldják, aminek hatására az olvadék olvadáspontja 2050 C-ról 1000 C-ra csökken. Ezután történik a timföld elektrolízise: katódfolyamat: Al 3+ + 3e - Al anódfolyamat: O 2- O + 2e - (az oxigén a grafitelektróddal egyesülve szén-monoxidot vagy szén-dioxidot hoz létre) - ALCOA eljárás: Al 2 O 3 + 3C + 3Cl 2 = 2AlCl 3 + 3CO AlCl 3 olvadék elektrolízise: katódfolyamat: Al 3+ + 3e - Al anódfolyamat: 2Cl - Cl 2 + 2e - (a keletkező klórgázt felhasználják) 2. A kősó ipari feldolgozása: higanykatódos elektrolízis Higanykatód alkalmazásakor a túlfeszültség miatt a nátriumvegyületek vizes oldataiból is leválasztható a nátrium. A NaCl vizes oldatát higanykatód és grafitanód alkalmazásával elektrolizálják. A folyamatot elősegíti, hogy a keletkező fémnátriumot a higany amalgám formájában oldani képes: katódfolyamat: 2Na + + 2e - 2Na(Hg) anódfolyamat: 2Cl - Cl 2 + 2e - A keletkező nátriumamalgámot ezután az ún. bontócellában vízzel reagáltatják, így a nátrium és a víz reakciója során képződő hidrogéngáz (H 2 ) mellett a nátrium-hidroxid (NaOH) a higanykatódos kősó elektrolízisének végterméke.