KEMA02 Oorganisk kemi grundkurs F11

Transkript

1 KEMA02 Organisk kemi grundkurs F11 Elektrkemi Jnselektiva elektrder, elektrlys, krrsin, celler Atkins & Jnes kap

2 Senast Galvaniska celler Nrmalptentialer Elektrkemiska spänningsserien Nrmalptentialer ch jämviktsknstanter Nernst ekvatin Översikt Jnselektiva elektrder Elektrlysceller Elektrlys Prdukter från elektrlys Inverkan på material Tillämpningar Krrsin Celler i praktiken

3 13.10 Jnselektiva elektrder Jnselektiva elektrder ph eller kncentratiner av jner kan mätas med en elektrd sm reagerar specifikt för ett enda jnslag. En tänkbar kmbinatin av elektrder för att mäta ph är en vätgaselektrd ch en kalmelelektrd. (Kalmel: Hg 2 Cl 2 ). Pt(s) H 2 (g) H + (aq) Hg 2 Cl 2 (s) Hg(l) Halvcellsreaktiner (skrivna sm reduktiner) H: Hg 2 Cl 2 (s) + 2 e 2 Hg(l) + 2 Cl (aq) V: 2 H + (aq) + 2 e H 2 (g) e Hg2 Cl 2 /Hg = +0,27V e H + /H 2 = 0V Ttalreaktin: Hg 2 Cl 2 (s) + H 2 (g) 2 Hg(l) + 2 Cl (aq) + 2 H + (aq) E = +0,27V Man kan visa att: E = E + (0,0592) ph dvs linjärt samband Jnselektiva elektrder Glaselektrd I dagens läge använder man inte vätgaselektrd, utan en glaselektrd vars ptential varierar linjärt med ph. Har ftast en inbyggd kalmelektrd sm har kntakt med mätlösningen via en saltbrygga i miniatyr. Mtelektrden kan även vara en AgCl/Ag-elektrd. Se labratinskmpendium Pt(s) prvlösning med H + (aq) Hg 2 Cl 2 (s) Hg(l) Pt(s) ph-elektrden kalibreras mt buffert med känt ph. px-mätare Mätinstrument sm är känsliga för andra jner finns ckså kmmersiellt. T ex för Na +, Ca 2+, NH 4 +, CN, S 2. Mycket användbara för att kntrllera industriella prcesser eller för att kntrllera förreningar.

4 Elektrlys Elektrlys Ett sätt att driva en reaktin i icke-spntan riktning med hjälp av elektrisk ström. Användningsmråden T ex framställning av många metaller (Na, Mg, Al), men även H 2 (g) ch Cl 2 (g). Na, användning Föreningar i kemisk industri sm reagens Gatljus (brandgul färg) Cl 2, användning Kemisk industri reagens Blekmedel Desinfektin Mg, användning T ex legeringar med Al: lätta, sega Elektrlys Elektrlyscell Skillnader gentemt galvanisk cell Elektrderna finns i samma rum Det finns bara en elektrlyt Kncentratiner ch tryck är långt ifrån standardtillstånd Strömmen går genm elektrlyten via jner sm finns i elektrlyten Anden (xidatin) har tecknet + Katden (reduktin) har tecknet Exempel 1: upprening av kppar Anden består av ren kppar, sm xideras till Cu 2+ - jner. Dessa reduceras vid katden ch ger ren kppar. Samma princip används vid elektrplätering (t ex för att ge ädla metaller ett överdrag av guld eller silver)..

5 Elektrlys Exempel 2: framställning av magnesium. Reduktinen av Mg 2+ sker i vattenfri saltsmälta Elektrlys Exempel 3: framställning av aluminium. Hall-Hérultprcessen. F Aluminium utvinns ur bauxit (huvudkmpnent Al 2 O 3 ) t m 2000 C Prcess Elektrlys i smälta. Man tillsätter CaF 2 (s) eller krylit (Na 3 AlF 6 ) t m 950 C Mycket energikrävande! Framställning av Al från skrt kräver bara 5% energi jämfört med framställning ur bauxit.

6 Elektrlys Laddningsbara batterier Ett laddningsbart batteri fungerar sm en elektrlyscell när det laddas upp, ch sm en galvanisk cell när det laddas ur. Blyackumulatr Blyplattr med H 2 SO 4 sm elektrlyt. H 2 SO 4 förbrukas vid urladdning, så batteriets status kan kntrlleras genm att man mäter elektrlytens densitet Elektrlys Elektrlys av vatten Reaktinen 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O(l) har E = +1,23 V vid ph = 7, dvs spntan reaktin För att driva reaktinen 2 H 2 O(l) 2 H 2 (g) + O 2 (g) sm har E = 1,23V vid ph = 7, dvs icke-spntan måste man lägga på minst 1,23V från en extern källa. I praktiken måste man lägga på ytterligare spänning. Detta kallas överspänning, ch varierar med lika elektrder. För Pt-elektrder är överspänningen ca 0,6V vid elektrlys av vatten det behövs > 1,8V Ytterligare kmplikatiner Vatten leder ström ytterst dåligt eftersm H 3 O + ch OH finns i så låg kncentratin. Jner måste tillsättas. MEN! Jnerna i elektrlyten måste reduceras/xideras mindre lätt än H 2 O.

7 Elektrlys Vilket ämne får vi vid en viss elektrd? Exempel En vattenlösning med ph = 7,00 sm innehåller 1 M I - (jdidjner) elektrlyseras. Kmmer O 2 eller I 2 att bildas vid anden? Vi får anta att överspänningen är lika. För reaktinen O 2 (g) + 4 H + (aq) + 4 e 2 H 2 O(l) är e = +0,82 V vid ph = 7 Ur tabell 13.1 får vi I 2 (s) + 2 e 2 I (aq) e = + 0,54 V Dvs I 2 (s) kmmer att bildas vid anden Elektrlys Elektrlysprdukter Prduktbildning kräver elektrner, dvs elektrisk ström. Exempel Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) Antag att vi använder 4 ml e, hur många ml Cu(s) bildas? 1 ml Cu(s) 2 ml e ½ ml Cu(s) 1 ml e 4 ½ = 2 ml Cu(s) 4 ml e

8 Elektrlys Viktiga samband Q = n F Q = laddning (Culmb, C) F = Faradays knstant, C ml 1 Q = I t I = ström (A) t = tid (s) n = Q F = It F Faradays lag för elektrlys: reaktinsmsättningen n (t.ex. mängden utfälld metall) är prprtinell mt strömmängden Q (prdukten av strömstyrka ch tid) ch mvänt prprtinell mt jnens laddningstal z. Källa: Natinalencyklpedien Elektrlys Exempel Räknas på tavlan Alumininum prduceras genm elektrlys av Al 2 O 3 i smälta med krylit (Na 3 AlF 6 ). Vilken massa aluminium kan prduceras på 1,00 dag i en elektrlytisk cell sm arbetar knstant vid 1, A. Kryliten reagerar inte.

9 Elektrlys Exempel Svar: 8, g Al (805 kg) Elektrlys summering Användningsmråden, summering Framställning av metaller Framställning av halgener (fås fta sm biprdukt vid metallframställning) Elektrplätering; förkrmning*, förgyllning etc * mycket energikrävande, sex elektrner behövs för att reducera Cr(VI) till Cr(0).

10 13.14 Krrsin Krrsin önskad xidatin av metall Järn rstar i närvar av syre ch vatten. I närvar av jner (t ex NaCl) blir vattnets ledningsförmåga bättre, ch krrsinen ökar. Rekmmendatin! Läs avsnitt innan elektrkemilabben! Fe 2 O 3 H 2 O, rst Krrsin Skydd mt rst Målning Galvanisering Föremålet täcks av ett brutet skikt av zink. Zink har lägre nrmalptential än järn; m zinkskiktet skadas ch expnerar järnet avger Zn elektrner till järnet. Zink passiviseras dvs har ett skyddande xidlager. Offerand (katdiskt skydd) Används ftast vid stra knstruktiner. Ett blck av zink eller magnesium grävs ner tillsamman med det järnrör sm ska skyddas.

11 13.15 Vanligt förekmmande celler Primärceller Reaktanterna finns färdigladdade i ett hölje. Exempel: Trrcell, brunstensbatteri Alkalisk cell, har längre livstid än trrcellen Silvercell (katd av Ag 2 O/Ag). Små ch långlivade Sekundärceller Cellen måste laddas före användning, återuppladdningsbara. Exempel: Blyackumulatr Litiumbatteri, används fta till datrer NiMH, nickel-metallhydridcell, används i hybridfrdn sm alternativ till bensin Exempel på tillämpningar Gary W vanln and Stephen J Duffy, Envirnmental Chemistry, A glbal perspective,third Editin, Oxfrd University Press, 2010

12 Exempel på tillämpningar Gary W vanln and Stephen J Duffy, Envirnmental Chemistry, A glbal perspective,third Editin, Oxfrd University Press, 2010 Elektrner I R L Phtsynthetic electrn transprt chain f the thylakid membrane.

13 Elektrner I R L The electrn transprt chain in the mitchndrin is the site f xidative phsphrylatin in eukarytes. The NADH and succinate generated in the citric acid cycle are xidized, prviding energy t pwer ATP synthase. Kpparhalt i mässing

14 Kpparhalt i mässing Mässing är en legering av kppar ch zink. Kpparhalten skall vara <98 vikts%. Zinkhalten är vanligen mellan 5 ch 45 vikts%. Ytterligare legeringsmetaller kan förekmma, t ex bly eller nickel (nickelmässing = nysilver). a. Mässingen löses i lika delar 2,5 M H 2 SO 4 ch 2,5 M HNO 3. Upplösningsreaktiner (i princip) Cu(s) + NO 3 (aq) Cu 2+ (aq) + NO 2 (g) balanserad Zn(s) + NO 3 (aq) Zn 2+ (aq) + NO 2 (g) balanserad Balansera reaktinerna. b. Skriv upp elektrdreaktinerna vid pluspl respektive minuspl vid elektrlys av kpparsulfat. c. Hur lång tid tar det teretiskt att elektrlytiskt fälla ut 3 g kppar ur en kpparsulfatlösning m I = 1 A ch strömutbytet är 100%? M Cu = 63,546 g/ml F = 9, C / ml Kpparhalt i mässing a. Cu(s) + 2 NO 3 (aq) + 4 H + (aq) Cu 2+ (aq) + 2 NO 2 (g) + 2 H 2 O Zn(s) + 2 NO 3 (aq) + 4 H + (aq) Zn 2+ (aq) + 2 NO 2 (g) + 2 H 2 O b. H 2 O ½ O 2 (g) + 2 H e Cu e Cu(s) c. 2,5 h