Kapitel 18. Elektrokemi

Transkript

1 Kapitel 18 Elektrokemi

2 Kapitel 18 Innehåll 18.1 Balansera Redoxreaktionslikheter 18.2 Galvaniska celler 18.3 Standardreduktionspotentialer 18.4 Cellpotentialer, Elektriskt arbete och Fri energi 18.5 Cellpotentialens koncentrationsberoende 18.6 Batterier 18.7 Korrosion 18.8 Elektrolys 18.9 Kommersiell elektrolys Copyright Cengage Learning. All rights reserved 2

3 Kapitel 18 Innehåll Elektrokemi Växelverkan mellan kemisk och elektrisk energi. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 3

4 Kapitel 18 Innehåll Terminologi (repetition) oxidation-reduktion (redox): innebär överföring av elektroner från ett reduktionsmedel till ett oxidationsmedel. oxidation = avge elektroner reduktion = motta elektroner Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4

5 Avsnitt 18.1 Balansera redoxreaktionslikheter Halvreaktioner Den totala reaktionen delas upp i två halvreaktioner, den ena beskriver oxidationen och den andra reduktionen. 8H + + MnO 4 + 5Fe 2+ Mn Fe H 2 O Reduktion: 8H + + MnO 4 + 5e Mn H 2 O Oxidation: 5Fe 2+ 5Fe e Copyright Cengage Learning. All rights reserved 5

6 Avsnitt 18.1 Balansera redoxreaktionslikheter Halvreaktionsmetoden 1. Skriv den obalanserade reaktionen - fastställ oxidationstal 2. Avgör vilket ämne som oxideras och vilket som reduceras 3. Dela upp reaktionen i en oxidations och reduktionsreaktion 4. För varje halvreaktion: (1) Balansera grundämnen (ej O, H) (2) Balansera O m.h.a. H 2 O (3) Balansera H m.h.a. H + (4) Balansera laddning m.h.a. e 5. Jämför halvreaktionerna - Likställ överförda elektroner 6. Addera halvreaktionerna - Sätt till OH om basisk lösning 7. Förkorta & kontrollera grundämnen och laddningsmängd Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6

7 Avsnitt 18.1 Balansera redoxreaktionslikheter Övning Balansera följande redoxreaktion som sker i sur lösning. Br (aq) + MnO 4 (aq) Br 2 (l)+ Mn 2+ (aq) 10Br (aq) + 16H + (aq) + 2MnO 4 (aq) 5Br2 (l)+ 2Mn 2+ (aq) + 8H 2 O(l) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 7

8 Avsnitt 18.2 Atomic Galvaniska Masses celler Galvanisk cell En apparat som omvandlar kemisk energi till elektricitet. Använder spontana redoxreaktion för att producera elektrisk ström som kan användas för att utföra arbete. Motsatt process: elektrolys Copyright Cengage Learning. All rights reserved 8

9 Avsnitt 18.2 Atomic Galvaniska Masses celler Halvceller Separera oxidations- och reduktionsreaktionerna. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 9

10 Avsnitt 18.2 Atomic Galvaniska Masses celler Saltbrygga Galvaniska celler måste tillåta jontransport mellan lösningarna via (a) en saltbrygga eller (b) en porös skiva. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 10

11 Avsnitt 18.2 Atomic Galvaniska Masses celler Elektrokemisk process innebär en elektrontransport vid fasgränsen mellan elektroden och lösningen. a) Vid anoden avges elektroner från lösningen till elektroden genom oxidationen. b) Vid katoden upptas elektroner av lösningen från elektroden genom reduktionen. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 11

12 Avsnitt 18.2 Atomic Galvaniska Masses celler Anod och katod OXIDATION sker vid ANODEN REDUKTION sker vid KATODEN (kom ihåg: RED CAT) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 12

13 Avsnitt 18.2 Atomic Galvaniska Masses celler Spänning i en galvanisk cell En voltmeter som kopplas till slingan kan mäta den elektriska spänningen. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 13

14 Avsnitt 18.2 Atomic Galvaniska Masses celler En galvanisk cell med halvreaktionerna Zn Zn e - vid anoden och Cu e - Cu. vid katoden Eº cell = 1.10 V.

15 Avsnitt 18.2 Atomic Galvaniska Masses celler En verklig uppställning av samma cell Copyright Cengage Learning. All rights reserved 15

16 Avsnitt 18.2 Atomic Galvaniska Masses celler Cellpotential Cellpotential eller elektromotorisk kraft (emk): Drag eller drivkraft som verkar på elektronerna. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 16

17 Avsnitt 18.3 The Standardreduktionspotentialer Mole Standardvätgaselektroden H 2 (g) vid 1 atm passarerar över en platinaelektrod i kontakt med 1 M H +. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 17

18 Avsnitt 18.3 The Standardreduktionspotentialer Mole Standardreduktionspotential E för reduktionshalvreaktioner jämfört med standardvätegaselektroden: Zn e Zn(s) 2H + + 2e H 2 (g) E = V (Alla lösningar 1 mol/l och alla gaser 1 atm) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 18

19 Avsnitt 18.3 The Standardreduktionspotentialer Mole Tabell för standardreduktionspotentialer Copyright Cengage Learning. All rights reserved 19

20 Avsnitt 18.3 The Standardreduktionspotentialer Mole Standardreduktionspotentialer E för reduktionshalvreaktioner jämfört med standardvätgaselektroden (SHE): Zn e Zn E = V SO H + + 2e H 2 SO 3 + H 2 O E = 0.20 V (Alla lösningar 1 mol/l och alla gaser 1 atm) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 20

21 Avsnitt 18.3 The Standardreduktionspotentialer Mole Beräkna cellspänning i galvaniska celler Beräknas ur standardreduktionspotentialen: E cell = E red (katod) - E red (anod) E red för olika halvreaktioner finns i tabellen. Standardförhållande: 1 M, 1atm, 25 C Vid omvänd halvreaktionen ändras tecknet på E. Om halvreaktionen multipliceras med en siffra behåller E sitt värde. En galvanisk cell sker spontant i den riktningen som E cell blir positiv. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 21

22 Avsnitt 18.3 The Standardreduktionspotentialer Mole Exempel: Fe 3+ (aq) + Cu(s) Cu 2+ (aq) + Fe 2+ (aq) Halvreaktionerna är: Fe 3+ + e Fe 2+ E = 0.77 V Cu e Cu E = 0.34 V Halvreaktionen med lägst reduktionspotential kommer att ske i motsatt riktning (oxidation). Cu Cu e E = 0.34 V Varje Cu atom genererar två eletroner men varje Fe 3+ -jon mottar bara en elektron, därför multipliceras den första reaktionen med 2. 2Fe e 2Fe 2+ E = 0.77 V Copyright Cengage Learning. All rights reserved 22

23 Avsnitt 18.3 The Standardreduktionspotentialer Mole Cellreaktion och cellpotential 2Fe e 2Fe 2+ E =0.77 V(katod) Cu Cu e E = 0.34 V (anod) Den balanserade cellreaktionen: Cu + 2Fe 3+ Cu Fe 2+ Cellpotentialen: E cell = E (katod) E (anod) E cell = 0.77 V 0.34 V = 0.43 V Copyright Cengage Learning. All rights reserved 23

24 Avsnitt 18.3 The Standardreduktionspotentialer Mole Cellschema Används för att beskriva elektrokemiska celler. Anodmaterial anodlösning på vänster sida. Katodmaterial katodlösning på höger sida. Cellerna separeras med (vertikal dubbellinje). Koncentrationerna på lösningarna skrivs ut. Exempel: Mg(s) Mg 2+ (aq) Al 3+ (aq) Al(s) Mg Mg e (anod) Al e Al (katod) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 24

25 Avsnitt 18.3 The Standardreduktionspotentialer Mole Konceptkoll Skissa följande galvaniska cell och ange: Cellreaktionen och potentialen Riktningen på elektrontransporten Anod och katodmaterial och lösningar Ag Ag + (aq) (1.0 M) Cu 2+ (aq) (1.0 M) Cu Copyright Cengage Learning. All rights reserved 25

26 Avsnitt 18.4 Cellpotential, elektriskt arbete och fri energi Arbete Elektrisk energi kan utföra arbete, därför är cellpotentialen kopplad till skillnaden i Gibbs fria energi mellan cellreaktionerna Men i alla verkliga spontana processer förloras energi i form av värme. Så fort som någon ström flödar mellan cellerna så minskar cellpotentialen. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 26

27 Avsnitt 18.4 Cellpotential, elektriskt arbete och fri energi Fri energi och cellpotential ΔG = nfe n = antalet mol elektroner i reaktionen F = Faradays konstant = 96,485 C/mol coulomb per mol elektroner Copyright Cengage Learning. All rights reserved 27

28 Avsnitt 18.5 Cellpotentialens koncentrationsberoende En koncentrationscell Copyright Cengage Learning. All rights reserved 28

29 Avsnitt 18.5 Cellpotentialens koncentrationsberoende Nernst ekvation Om de deltagande ämnena inte befinner sig i sina standard tillstånd (konc 1 mol/l), blir cellpotentialen (V): E = E log ( Q) n Q = reaktionskvot (massverkans lag uttryck med de aktuella koncentrationerna) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 29

30 Avsnitt 18.5 Cellpotentialens koncentrationsberoende Beräkning av jämviktskonstanter för redox-reaktioner Vid jämvikt: log( K) = ne at 25 C Ecell = 0 och Q = K. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 30

31 Avsnitt 18.5 Cellpotentialens koncentrationsberoende Konceptkoll Förklara skillnaden mellan E och E. När är E lika med noll? När cellen är vid jämvikt ( ett urladdat batteri). När är E lika med noll? För koncentrationsceller. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 31

32 Avsnitt 18.5 Cellpotentialens koncentrationsberoende Övning En koncentrationscell skapas med två nickelelektroder och koncentrationer av Ni 2+ på 1.0 M respektive 1.00 x 10-4 M i två halvceller. Beräkna potentialen hos cellen vid 25 C V Copyright Cengage Learning. All rights reserved 32

33 Avsnitt 18.6 Batterier Strömkällor En galvanisk cell, eller ofta en grupp av galvaniska celler kopplade i serie. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 33

34 Avsnitt 18.6 Batterier Bilackumulator Ett 12 V bilbatteri (ackumulator) består av sex parallellkopplade galvaniska celler med bly och bly(iv)oxid

35 Avsnitt 18.6 Batterier Knappbatteri Copyright Cengage Learning. All rights reserved 35

36 Avsnitt 18.6 Batterier Torrbatteri

37 Avsnitt 18.6 Batterier Bränsleceller Galvaniska celler med kontinuerlig tillförsel av reaktanter 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(l) Oxidation vid anoden: 2H 2 + 4OH 4H 2 O + 4e Reduktion vid katoden: 4e + O 2 + 2H 2 O 4OH

38 Avsnitt 18.7 Korrosion Korrosion En process där metaller återbördas till sina stabila tillstånd till mineralen som de ursprungligen förlåg som. Metallernas oxidation i atmosfären av luftens syre eller av andra oxidationsmedel. Vissa metaller (Cu, Au, Ag, Pt) är relativt svåra att oxidera. Dessa kallas ädla och finns även i ren metallisk form i naturen Copyright Cengage Learning. All rights reserved 38

39 Avsnitt 18.7 Korrosion Korrosion Metallernas oxidation i atmosfären av luftens syre eller av andra oxidationsmedel. Vissa metaller (Cu, Au, Ag, Pt) är relativt svåra att oxidera. Dessa kallas ädla. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 39

40 Avsnitt 18.7 Korrosion Rostning av järn Copyright Cengage Learning. All rights reserved 40

41 Avsnitt 18.7 Korrosion Korrosionsskydd Ytbehandling (färg eller plätering) Galvanisering Legering Rostfritt stål Offeranoder En oädlare metall (ofta zink) i elektrisk förbindelse med metallen man vill skydda (ofta järn) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 41

42 Avsnitt 18.7 Korrosion Användning av offeranoder för att motverka korrosion. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 42

43 Avsnitt 18.7 Korrosion En guldring löses inte upp i koncentrerad salpetersyra Copyright Cengage Learning. All rights reserved 43

44 Avsnitt 18.8 Elektrolys Elektrolys En kemisk ändring mot cellpotentialen med hjälp av en pålagd yttre spänning. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 44

45 Avsnitt 18.8 Elektrolys Vid elektrolys går processen baklänges a) En galvanisk cell under standardbetingelser b) En elektrolytisk cell under standardbetingelser; en yttre kraftkälla framtvingar den motsatta processen anod katod katod anod Copyright Cengage Learning. All rights reserved 45

46 Avsnitt 18.8 Elektrolys Stökiometri för elektrolysprocesser Hur mycket kemisk förändring kan åstadkommas genom elektorlys med en given elektrisk stöm (I) och givet tidsintervall (Δt)? Överförd laddningsmängd, Q Q = I Δt Copyright Cengage Learning. All rights reserved 46

47 Avsnitt 18.8 Elektrolys Stökiometri för elektrolysprocesser Laddningsmängd Q Enhet: Coulomb, C Faradays konstant, F = C/mol Antal mol elektroner överförda i elektrolys n e = I Δt / F Copyright Cengage Learning. All rights reserved 47

48 Avsnitt 18.8 Elektrolys Elektrolys av vatten ger syrgas vid anoden (vänster) och vätgas vid katoden (höger). Observera de relativa gasmängderna! Copyright Cengage Learning. All rights reserved 48

49 Avsnitt 18.8 Elektrolys Konceptkoll En okänd metall (M) fälls ut med elektrolys. Det tog 52.8 sekunder och en ström av 2.00 ampere att fälla ut g av metallen från en lösning av M(NO 3 ) 3. Vilken är metallen? guld (Au) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 49

50 Avsnitt 18.8 Elektrolys Konceptkoll Betrakta en lösning som innehåller 0.10 M av vardera av följande joner: Pb 2+, Cu 2+, Sn 2+, Ni 2+, and Zn 2+. Förutsäg i vilken ordning metallerna kommer att fällas ut genom elektrolys om man börjar att skruva upp spänningen från 0V. Cu 2+, Pb 2+, Sn 2+, Ni 2+, Zn 2+ Fälls metallerna ut på katoden eller anoden? Copyright Cengage Learning. All rights reserved 50

51 Avsnitt 18.9 Kommersiell elektrolys Industriella processer Producera aluminum Producera klorgas och natrium Rena metaller Plätering Copyright Cengage Learning. All rights reserved 51

52 Avsnitt 18.9 Kommersiell elektrolys Industriell framställning av aluminium via Hall-Heroult processen Copyright Cengage Learning. All rights reserved 52

53 Avsnitt 18.9 Kommersiell elektrolys Industriell framställning av klorgas via elektrolys i Downs cell: 2NaCl(l) 2Na(s) + Cl 2 (g) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 53

54 Avsnitt 18.9 Kommersiell elektrolys Industriell rening av kopparmetall Ultrarena kopparskivor verkar som katoder då de nedsänks mellan skivor av oren koppar som verkar som anoder i en behållare med en vattenlösning av kopparsulfat (CuSO 4 ).

55 Avsnitt 18.9 Kommersiell elektrolys Plätering (a) En försilvrad tekanna (b) Ett schema som visar elektrolysen vid försilvring. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 55