ak elektrochemia
TRANSCRIPT
![Page 1: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/1.jpg)
ElektrochemiaElektrochemia
![Page 2: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/2.jpg)
REAKCJE REDOKSREAKCJE REDOKS
Reakcje, w których następuje przekazywanie elektronów
pomiędzy reagentami nazywamy reakcjami redoks (red-ox)
Reakcje spalania, oddychania, fotosyntezy, korozji…
Utlenianie (ox):
Redukcja (red):
A A+ + e-
B + e- B-
![Page 3: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/3.jpg)
OGNIWO ELEKTROCHEMICZNEOGNIWO ELEKTROCHEMICZNE
Urządzenie pozwalające badać reakcje chemiczne na
drodze pomiarów wielkości elektrycznych jest ogniwo
galwaniczne.
Ogniwo składa się z dwóch przewodników elektryczności
(elektrod) zanurzonych w elektrolicie.
Elektroda wraz z otaczającym ją elektrolitem stanowi
półogniwo. Oba półogniwa mogą mieć wspólny elektrolit
lub mogą być zanurzone w różnych elektrolitach.
![Page 4: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/4.jpg)
OGNIWO ELEKTROCHEMICZNEOGNIWO ELEKTROCHEMICZNE
Elektrody
Ogniwo
elektrochemiczne
lub elektrolizer,
w którym obie
elektrody są
zanurzone w tym
samym roztworze
![Page 5: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/5.jpg)
Kluczelektrolityczny
elektroda elektroda
OGNIWO ELEKTROCHEMICZNEOGNIWO ELEKTROCHEMICZNE
Ogniwo
elektrochemiczne,
w którym elektrody
są zanurzone w
różnych elektrolitach.
Oba półogniwa
połączone są
kluczem
elektrolitycznym.
![Page 6: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/6.jpg)
Urządzenie zbudowane w taki sposób jak ogniwo,
lecz w którym przebieg niesamorzutnej reakcji zostaje
wymuszony przez przyłączenie elektrod do zewnętrznego
źródła prądu stałego nazywamy elektrolizeremelektrolizerem.
Reakcje zachodzące pod wpływem przyłożonego prądu
nazywamy elektroliząelektrolizą.
ELEKTROLIZERELEKTROLIZER
![Page 7: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/7.jpg)
OGNIWO vs. ELEKTROLIZEROGNIWO vs. ELEKTROLIZER
![Page 8: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/8.jpg)
REAKCJE CZĄSTKOWEREAKCJE CZĄSTKOWE
Podobnie, jak przy reakcjach kwasowo-zasadowych,
również w elektrochemii reakcję redoks możemy rozłożyć
na dwie reakcje cząstkowe:
utraty elektronu,
przyłączenia elektronu.
Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- Utlenianie ZnUtlenianie Zn
Cu2+(aq) + 2e- Cu(s) Redukcja CuRedukcja Cu2+2+
Cu2+ + Zn(s) Cu(s) + Zn2+(aq)
![Page 9: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/9.jpg)
Elektroda Reakcja elektrodowa Potencjał standardowy (V)
Li/Li+ Li <=> Li+ + e - 3,05
K/K+ K <=> K+ + e - 2,93
Ca/Ca2+ Ca <=> Ca2+ + 2e - 2,84
Na, Na+ Na <=> Na+ + e - 2,71
Mg/Mg2+ Mg <=> Mg2+ + 2e - 2,37
Al/Al3+ Al <=> Al3+ + 3e - 1,66
Zn/Zn2+ Zn <=> Zn2+ + 2e - 0,76
Cr/Cr3+ Cr <=> Cr3+ + 3e - 0,71
Fe/Fe2+ Fe <=> Fe2+ + 2e - 0,44
Cd/Cd2+ Cd <=> Cd2+ + 2e - 0,43
Co/Co2+ Co <=> Co2+ + 2e - 0,25
Ni/Ni2+ Ni <=> Ni2+ + 2e - 0,24
Sn/Sn2+ Sn <=> Sn2+ + 2e - 0,14
Pb/Pb2+ Pb <=> Pb2+ + 2e - 0,13
H2/H+ H2 <=> 2H+ + 2e 0,00
Cu/Cu2+ Cu2+ + 2e <=> Cu + 0,345
Hg/Hg2+ Hg2+ + 2e <=> Hg + 0,854
Ag/Ag+ Ag+ + e <=> Ag + 0,800
Au/Au+ Au+ + e <=> Au + 1,420
![Page 10: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/10.jpg)
REAKCJE CZĄSTKOWEREAKCJE CZĄSTKOWE
Przyjęto umowę, by wszystkie reakcje cząstkowe
zapisywać jako reakcje redukcji.
Reakcję utleniania cynku zapiszemy jako reakcję
odwrotną cząstkową redukcji Zn2+:
Pełna reakcja redoks jest różnicą dwóch cząstkowych
reakcji redukcji.
Zn2+(aq) + 2e- Zn(s)
![Page 11: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/11.jpg)
REAKCJE CZĄSTKOWEREAKCJE CZĄSTKOWE
MnO4-(aq) + 8H+
(aq) + 5e- Mn2+(aq) + 4H2O(c)
Cr2O72-
(aq) + 14H+(aq) + 6e- 2Cr3+
(aq) + 7H2O(c)
R-COOH(aq) + 2H+(aq) + 2e- R-CHO + H2O
![Page 12: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/12.jpg)
PARA REDOKSPARA REDOKS
Forma utleniona i zredukowana w reakcji cząstkowej
tworzą parę redoks Ox/Red.
Zn2+/Zn
Cu2+/Cu
MnO4-, H+/Mn2+
Cr2O72-, H+/Cr3+
RCOOH, H+/RCHO
RCHO, H+/RCH2OH
![Page 13: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/13.jpg)
PÓŁOGNIWO GAZOWEPÓŁOGNIWO GAZOWE
Jest to rodzaj półogniwa, w którym gaz znajduje
się w równowadze ze swoimi jonami w obecności
biernego metalu spełniającego funkcje katalityczne.
H+
H+ H+
Półogniwo wodorowe.
Para redoks to
H+/H2
H+(aq) + e- ½ H2(g)
![Page 14: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/14.jpg)
PÓŁOGNIWO REDOKSPÓŁOGNIWO REDOKS
Elektroda platynowa
Fe2+
Fe3+
Półogniwo redoks składa się z roztworu pary redoks
stanowiącego elektrolit oraz biernego metalu.
Fe3+(aq) + e- Fe2+
(aq)
![Page 15: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/15.jpg)
PÓŁOGNIWO DRUGIEGO RODZAJUPÓŁOGNIWO DRUGIEGO RODZAJU
Składa się z metalu pokrytego warstwą nierozpuszczlnej
soli tego metalu i zanurzonego w roztworze, który zawiera
jony będące anionami reszty kwasowej nierozpuszczalnej
soli.
Powłoka AgCl na Ag
Cl-
Cl-
Cl-
Ogniwo chlorosrebrowe
AgCl(s) + e- Ag(s) + Cl-(aq)
![Page 16: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/16.jpg)
W termodynamicznym opisie układów, w których
przebiega reakcja chemiczna i nie został osiągnięty
stan równowagi chemicznej dogodnie jest używać
ilorazu reakcji Q.
Zn2+(aq) + 2e- Zn(s)
2Cu
1Q
a
H+(aq) + e- ½ H2(g)
H
0.5H )(
Q 2
a
a
MnO4-(aq) + 8H+
(aq) + 5e- Mn2+(aq) + 4H2O(c) 8
HMnO
Mn
)(Q
4
2
aa
a
AgCl(s) + e- Ag(s) + Cl-(aq)
ClQ a
Fe3+(aq) + e- Fe2+
(aq)
3
2
Fe
FeQa
a
![Page 17: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/17.jpg)
W ogniwie galwanicznym uwalnianie elektrony w jednym
półogniwie są zużywane w drugim półogniwie. Dopóki
reakcja sumaryczna nie osiągnie stanu równowagi, dopóty
cząstkowe reakcje pchają elektrony do obwodu.
Jeżeli reakcja nie jest w stanie równowagi, to ogniwo może
wykonywać pracę elektryczną. Praca ta zależy od różnicy
potencjałów panującej między elektrodami. Różnicę tę
nazywamy napięciem ogniwa (E)napięciem ogniwa (E).
Napięcie ogniwa ~ siła elektromotoryczna ogniwa
[V]
![Page 18: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/18.jpg)
Maksymalna praca elektryczna, jaką może wykonać
układ (ogniwo galwaniczne) określona jest wartością
entalpii swobodnej (G) przy stałej temperaturze oraz
ciśnieniu.
w = G
Gr= - n F E
Pomiędzy siłą elektromotoryczną (E), a entalpią swobodną
reakcji ogniwa (Gr) zachodzi związek:
F – stała Faradaya => 96485 C/mol
[C × V = J]
![Page 19: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/19.jpg)
Ujemny znak oznacza, że gdy siła elektromotoryczna
jest dodatnia to entalpia swobodna jest ujemna, a to
natomiast odpowiada samorzutnemu przebiegowi reakcji
ogniwa.
Równanie to oznacza, że jesteśmy w stanie policzyć
wartość siły elektromotorycznej układu, gdy znamy
wartość entalpii swobodnej reakcji ogniwa.
Gr= - n F E
![Page 20: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/20.jpg)
RÓWNANIE NERNSTARÓWNANIE NERNSTA
Gr = Gro + R T lnQ Gr = -n F E
lnQnFRT
EE o
Eo – standardowa siła elektromotoryczna ogniwa
n – ilość elektronów biorących udział w reakcji redoks
W stanie równowagi chemicznej:
lnKnFRT
EE o
![Page 21: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/21.jpg)
RÓWNANIE NERNSTARÓWNANIE NERNSTA
lnQnFRT
EE o
W temperaturze 25 oC RT/F = 0,0257 V = 25,7 mV
lnQn
25,7mVEE o
Gdy w 25 oC n = 2 wówczas RT/(nF) = 0,0129 V = 12,9 mV
lnQ12,9mVEE o
![Page 22: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/22.jpg)
RÓWNANIE NERNSTARÓWNANIE NERNSTA
lnQnFRT
EE o
logQnF
2,303RTEE o
logarytm naturalny
logarytm dziesiętny
![Page 23: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/23.jpg)
RÓWNANIE NERNSTARÓWNANIE NERNSTA
O ile zmieni się potencjał redoks gdy temperatura wzrośnie
o 10 oC ?
O ile zmieni się potencjał redoks gdy stała równowagi reakcji
redoks zwiększy się dziesięciokrotnie?
Jaka jest wartość stałej równowagowej wiedząc, że potencjał
redoks reakcji 2-elektronowej zwiększył się o 59,2 mV w wyniku
zmniejszenia temperatury o 8 oC?
![Page 24: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/24.jpg)
OGNIWA W STANIE RÓWNOWAGIOGNIWA W STANIE RÓWNOWAGI
Q = K
Reakcja w stanie równowagi nie wykonuje pracy.
W ogniwie, w którrym panuje stan równowagi chemicznej
Różnica potencjałów elektrod jest równa 0, (E = 0).
RTnFE
lnKo
Jeżeli E jest dodatnie, to K jest większe od 1 i w stanie
równowagi reakcja ogniwa przesunięta jest w stronę
produktów. Gdy E jest ujemne, K < 1 i w stanie równowagi
przeważają substraty.
![Page 25: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/25.jpg)
OGNIWA STĘŻENIOWEOGNIWA STĘŻENIOWE
M+ (aq, P) M+ (aq, L)
P
LQaa
PL
M+ M+
cP > cL
Standardowa siła elektromotoryczna ogniwa stężeniowego
Jest równa zeru,
gdyż oba półogniwa
są identyczne.
P
LlnFRT
Eaa
![Page 26: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/26.jpg)
Zredukowana i utleniona forma ryboflawiny tworzą
parę redoks, której Eo = -0,21 V w roztworze o pH = 7.
w tych samych warunkach para redoks kwas octowy/
aldehyd octowy wynosi Eo = -0,60 V. Jaka jest wartość
stałej równowagi reakcji redukcji ryboflawiny
Aldehydem octowym w roztworze wodnym o pH = 7?
Zadanie:Zadanie:
![Page 27: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/27.jpg)
WPŁYW pH NA POTENCJAŁ REDUKCJIWPŁYW pH NA POTENCJAŁ REDUKCJI PARY REDOKSPARY REDOKS
W reakcjach cząstkowych bardzo wielu par redoksuczestniczą jony wodorowe.
lnQ2FRT
EE o
R-COOH(aq) + 2H+(aq) + 2e- R-CHO + H2O
2
H)(
1Q
a
pH2F
2,303RTEE o pH(59,2mV/2)EE o
![Page 28: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/28.jpg)
WPŁYW pH NA POTENCJAŁ REDUKCJIWPŁYW pH NA POTENCJAŁ REDUKCJI PARY REDOKSPARY REDOKS
Zależność potencjału redoks od pH roztworu pozwala
Na przeliczenie wartości potencjałów standardowych
Na wartości potencjałów w biologicznym stanie
standardowym (E’), tj. w pH = 7.
![Page 29: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/29.jpg)
Zadanie:Zadanie:
Oblicz potencjał pary redoks NAD+/NADH w biologicznym
Stanie standardowym w temperaturze 25 oC. Eo = -0,11 V.
NAD+(aq) + H+
(aq) + 2e- NADH(aq)
pHmV) 29,59EE' o (
-0,327V)1029,59 V)(-0,11E' -3 (
![Page 30: Ak Elektrochemia](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022042422/558c58a4d8b42a4e2c8b45c3/html5/thumbnails/30.jpg)
POMIAR pH, ZASADA DZIAŁANIA POMIAR pH, ZASADA DZIAŁANIA pH-METRUpH-METRU