Dagens Meny. Oxidation/Reduktion Elektrolys Galvanisk cell Termodynamik Batterier Korrosion/biomimetik Energimöjligheter

Transkript

1 lektrkemi Kemi med bikemi VT 213 Atkins & Jnes Kap. 13 Vad strt sker, det sker tyst ur Odalbnden av rik Gustaf Geijer i reversibla, icke-(pv) prcesser, när Gibbs energi för en reaktin får utföra maximalt arbete Dagens Meny Oxidatin/Reduktin lektrlys Galvanisk Termdynamik Batterier Krrsin/bimimetik nergimöjligheter Batterier lektrkemiska tillämpningar Krrsin Thery xperiment Bielektrkemi Nervsignaler NiFe-hydrgenas Vätgasgenerering Framtidens energi? lektrkemisk Oxidatinstal ett gammalt begrepp Vltas stapel första batteriet Galvanisk (batteri ch krrsin) spntan reaktin mellan två reaktanter genererar elektrisk ström mvandlar energi (kemisk > elektrisk) lektrlytisk (ladda batterier, rena metaller) icke-spntan drivs av elektrisk ström (elektrisk > kemisk) används för prduktin ch rening - Frmell bkföring av laddningsfördelning: vad xideras/reduceras - lementen har xidatinstalet - Mnatmära jner har samma xidatinstal sm laddningen - Väte +1 med icke-metaller ch -1 med metaller (hydrider) - Syre -2, undantag perxider (-1) - Halgener -1 utm när de binder till syre, F alltid Summan av alla xidatinstal i en neutral förening är ch för jner är den lika med laddningen Vad är klrs xidatinstal i Perklrat (ClO 4- ), Klrat (ClO 3- ), Klrit (ClO ), Hypklrit (ClO - )? 18 Alessandr Giuseppe Antni Anastasi Vlta Två metaller (zink + silver) separerade med saltindränkta filtbitar Första pålitliga källan till elektricitet 1

2 Lättxiderade metaller lectrlys av NaCl ger Cl 2 lektrlys lektrlytisk framställning möjlig efter Vltas uppfinning Metall Framställd år Li 1817 Na 187 K 187 Ca 188 Mg 188 Sr 188 Ba 188 Framställning av vätgas Hares Kalrimtr lektrkatalytisk vattensönderdelning men istället för att göra syrgas så kan vi väl hellre göra någt nyttigt Blckera syrgaskanalen ch använd syre till att epxidera dubbelbindningar lektrkemisk (Galvanisk ) Chemical Steps = Catalyst Recvery lectrchemical Steps = Water Oxidatin Reactin 2

3 lektrkemisk (Galvanisk ) Saltbrygga And Katd Zn(s) Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) Cu(s) Daniells element And/Katd And Alltid xidatin lektrner avges Tar emt anjner Minuspl (GÄLLR GALVANISK CLL) Fasgränser Halvsreaktiner: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e - (Oxidatin) And Cu 2+ (aq) + 2e - Cu(s) (Reduktin) Katd Katd Alltid reduktin lektrner upptas Tar emt katjner Pluspl (GÄLLR GALVANISK CLL) Zn(s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu(s) Cell lektrkemi ch termdynamik Maximalt (icke-pv) arbete W vid reversibel reaktin w e G Standard reduktinsptentialer, G Reduktinsptential vid standardtillstånd; mäts gentemt vätgaselektrden Standard reduktinsptential, Standard hydrgen electrde, SH: Ttal laddning (C) Ptentialskillnad (V) nergi = laddning multiplicerad med ptentialskillnad 1J=1C V lektrnenes laddning är ~ C F en A F - Faradays knstant C/ml Laddning hs en ml elektrner =. V ( 1 bar, 1 ml/dm 3 ) 3

4 lektrdptentialer ch jämviktsknstanter Jämviktsknstanter kan beräknas från elektrdptentialer: Skapa en med en ttalreaktin för vilken jämviktsknstanten söks G katd ln K G x: AgCl(s) Ag + (aq) + Cl - (aq) } and ln K Kncentratinsberende Avvikelse från standardtillstånd: G = G + lnq - = - + lnq } x: Vad är för H + /H 2 vid ph=7? Anta att x<1. katd and Inse att elektrnerna flödar från L till R eftersm en strävar efter att utjämna kncentratinerna i de två lösningarna, dvs ln Q Nernst ekvatin x: Vad är för H + /H 2 vid ph=7? Givet: ln Q ch = Det medför ln Q där ftersm så Och eftersm n=2 Så 2 2 ln1 ln x ln x lg x 2F 2F F ln1 V ph dvs 23 Speciellt vid ph=7 så. 5916V ph. 414V Fall 1: Olika metaller, alla aktiviteter = 1 (kncentratiner = 1M) T.ex. Fall 3: Samma metaller, lika kncentratiner. n s.k. kncentratins Bielektrkemi Zn(s) Zn 2+ (aq), 1 M Cu 2+ (aq), 1 M Cu(s) katd and.34 (.76) 1.1V Cu(s) Cu 2+ (aq),.1m Cu 2+ (aq), 1.M Cu(s) Cellreaktin: Cu 2+ (aq, 1.M) ---> Cu 2+ (aq,.1 M) Q = [Cu 2+ ] L /[Cu 2+ ] R =.1 Nerv Jnkanaler Fall 2: Olika metaller, kncentratinerna är inte 1 M. T.ex ln Q ln.1.6 V Zn(s) Zn 2+ (aq),.1 M Cu 2+ (aq), 1 M Cu(s) Vad driver denna reaktin? Varifrån kmmer fria energiskillnaden? Cellreaktin: Cu 2+ + Zn(s) ---> Cu(s) + Zn 2+ Q = [Zn 2+ ]/[Cu 2+ ] = ln Q 1.1 ln V

5 Blyackumulatr (bilbatteri) Blyackumulatr Krrsin And: Pb(s) + SO 4 PbSO 4 (s) + 2e - Katd: PbO 2 (s) + 4H + + SO 4 + 2e - PbSO 4 (s) + 2H 2 O = V = V Pb(s) + PbO 2 (s) + 4H + + 2SO 4 2PbSO 4 (s) + 2H 2 O katd and 1.69V (.359V ) 2.5 V Pb(s) + PbO 2 (s) + 4H + + 2SO 4 Urladdning 2PbSO 4 (s) + 2H 2 O Laddning Ny Teknik nr 4 24 Krrsin Krrsinsskydd Skydda ytan (färg, xidskikt, galvanisering) Katdiskt skydd (fferand) Minimera ptentialskillnader Stäng ut elektrlyt ch vatten Förklara mekanismen bakm vattenrsakad krrsin av kärnbränslebehållare Mikaela Lindgren ch Itai Panas Nett: Zr(s) + 2H 2 O -> ZrO 2 + 2H 2 1. And: Zr(s) + 2O -> ZrO 2 + 4e - Oxidbildning fferand 2. Katd: H + + 2e - -> H - 3. Kemi: H - + H + -> H 2 Hydridbildning Hydrid - prtn rekmbinatin 5

6 Zirknkrrsin i vatten Katdprcessen H - + H + -> H 2 Kemi Hydrid prtn rekmbinatin H + + 2e - -> H - Hydridebildning Thery xperiment Hydride in grain bundary Hydride rbital High-spin Fe II Orsaken till kurvfrmen Andptentialen relativt H 2 (g) Fe Det visar sig att katdprcessen kräver - Sm funktin av syrehalt ~1. V för att driva (Fe) H 2 (g) Ni Har vi det? Hydrides in bilgy: NiFe hydrgenase s Syres löslighet i Zr ~28 At% 6

7 Andptentialens syreberende (relativt H 2 (g)) Katdprcessen behöver ~1. V (Fe) överptential Andprcessen levererar ~1.4 V överptential Sammanfattning s driv för H 2 utveckling överptential xidatinsdriven hydridbildning driv för hydridbildning hydrid - prtn rekmbinatin x<s < -1,4V large verptential pr catalyst residualt driv för H 2 utveckling x>s < -1,4V lektrkemi Brist på residualt driv för H 2 utveckling kemi 7