Kapitel 18 Innehåll Kapitel 18 Elektrokemi 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 18.8 18.9 Kommersiell elektrolys Copyright Cengage Learning. All rights reserved 2 Kapitel 18 Innehåll Elektrokemi Växelverkan mellan kemisk och elektrisk energi. 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 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4 Avsnitt 18.1 Balansera redoxreaktionslikheter 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 2+ + 5Fe 3+ + 4H 2 O Reduktion: 8H + + MnO 4 + 5e Mn 2+ + 4H 2 O Oxidation: 5Fe 2+ 5Fe 3+ + 5e 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 5 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6 1
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) 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 10Br (aq) + 16H + (aq) + 2MnO 4 (aq) 5Br2 (l)+ 2Mn 2+ (aq) + 8H 2 O(l) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 7 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 8 Halvceller Separera oxidations- och reduktionsreaktionerna. Saltbrygga Galvaniska celler måste tillåta jontransport mellan lösningarna via (a) en saltbrygga eller (b) en porös skiva. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 9 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 10 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. Anod och katod OXIDATION sker vid ANODEN REDUKTION sker vid KATODEN (kom ihåg: RED CAT) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 11 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 12 2
Spänning i en galvanisk cell En voltmeter som kopplas till slingan kan mäta den elektriska spänningen. En galvanisk cell med halvreaktionerna Zn Zn 2+ + 2e - vid anoden och Cu 2+ + 2e - Cu. vid katoden Eº cell = 1.10 V. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 13 En verklig uppställning av samma cell Cellpotential Cellpotential eller elektromotorisk kraft (emk): Drag eller drivkraft som verkar på elektronerna. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 15 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 16 Standardvätgaselektroden H 2 (g) vid 1 atm passarerar över en platinaelektrod i kontakt med 1 M H +. Standardreduktionspotential E för reduktionshalvreaktioner jämfört med standardvätegaselektroden: Zn 2+ + 2e Zn(s) 2H + + 2e H 2 (g) E = -0.76 V (Alla lösningar 1 mol/l och alla gaser 1 atm) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 17 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 18 3
Tabell för standardreduktionspotentialer Standardreduktionspotentialer E för reduktionshalvreaktioner jämfört med standardvätgaselektroden (SHE): Zn 2+ + 2e Zn SO 4 2 + 4H + + 2e H 2 SO 3 + H 2 O E = -0.76 V E = 0.20 V (Alla lösningar 1 mol/l och alla gaser 1 atm) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 19 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 20 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 Exempel: Fe 3+ (aq) + Cu(s) Cu 2+ (aq) + Fe 2+ (aq) Halvreaktionerna är: Fe 3+ + e Fe 2+ E = 0.77 V Cu 2+ + 2e Cu E = 0.34 V Halvreaktionen med lägst reduktionspotential kommer att ske i motsatt riktning (oxidation). Cu Cu 2+ + 2e 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 3+ + 2e 2Fe 2+ E = 0.77 V Copyright Cengage Learning. All rights reserved 22 Cellreaktion och cellpotential 2Fe 3+ + 2e 2Fe 2+ E = 0.77 V (katod) Cu Cu 2+ + 2e E = 0.34 V (anod) Den balanserade cellreaktionen: Cu + 2Fe 3+ Cu 2+ + 2Fe 2+ Cellpotentialen: E cell = E (katod) E (anod) E cell = 0.77 V 0.34 V = 0.43 V 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 2+ + 2e (anod) Al 3+ + 3e Al (katod) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 23 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 24 4
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 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 25 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 26 Avsnitt 18.4 Cellpotential, elektriskt arbete och fri energi Fri energi och cellpotential Avsnitt 18.5 Cellpotentialens koncentrationsberoende En koncentrationscell 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 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 28 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): 0.0592 E = E log ( Q) n Avsnitt 18.5 Cellpotentialens koncentrationsberoende Beräkning av jämviktskonstanter för redox-reaktioner Vid jämvikt: ne log( K) = at 25 C 0. 0592 Ecell = 0 och Q = K. Q = reaktionskvot (massverkans lag uttryck med de aktuella koncentrationerna) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 29 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 30 5
Avsnitt 18.5 Cellpotentialens koncentrationsberoende Konceptkoll Avsnitt 18.5 Cellpotentialens koncentrationsberoende Övning 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. 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. 0.118 V Copyright Cengage Learning. All rights reserved 31 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 32 Avsnitt 18.6 Batterier Strömkällor En galvanisk cell, eller ofta en grupp av galvaniska celler kopplade i serie. Avsnitt 18.6 Batterier Bilackumulator Ett 12 V bilbatteri (ackumulator) består av sex parallellkopplade galvaniska celler med bly och bly(iv)oxid Copyright Cengage Learning. All rights reserved 33 Avsnitt 18.6 Batterier Knappbatteri Avsnitt 18.6 Batterier Torrbatteri Copyright Cengage Learning. All rights reserved 35 6
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 Avsnitt 18.7 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 Avsnitt 18.7 Avsnitt 18.7 Rostning av järn 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 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 40 Avsnitt 18.7 sskydd Avsnitt 18.7 Användning av offeranoder för att motverka korrosion. 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 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 42 7
Avsnitt 18.7 En guldring löses inte upp i koncentrerad salpetersyra En kemisk ändring mot cellpotentialen med hjälp av en pålagd yttre spänning. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 43 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 44 Vid elektrolys går processen baklänges a) En galvanisk cell under standardbetingelser b) En elektrolytisk cell under standardbetingelser; en yttre kraftkälla framtvingar den motsatta processen 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 anod katod katod anod Copyright Cengage Learning. All rights reserved 45 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 46 Stökiometri för elektrolysprocesser Laddningsmängd Q Enhet: Coulomb, C Faradays konstant, F = 95485 C/mol Antal mol elektroner överförda i elektrolys av vatten ger syrgas vid anoden (vänster) och vätgas vid katoden (höger). Observera de relativa gasmängderna! n e = I Δt / F Copyright Cengage Learning. All rights reserved 47 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 48 8
Konceptkoll En okänd metall (M) fälls ut med elektrolys. Det tog 52.8 sekunder och en ström av 2.00 ampere att fälla ut 0.0719 g av metallen från en lösning av M(NO 3 ) 3. Vilken är metallen? guld (Au) 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 49 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 50 Avsnitt 18.9 Kommersiell elektrolys Industriella processer Producera aluminum Producera klorgas och natrium Rena metaller Plätering Avsnitt 18.9 Kommersiell elektrolys Industriell framställning av aluminium via Hall-Heroult processen Copyright Cengage Learning. All rights reserved 51 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 52 Avsnitt 18.9 Kommersiell elektrolys Industriell framställning av klorgas via elektrolys i Downs cell: 2NaCl(l) 2Na(s) + Cl 2 (g) 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 ). Copyright Cengage Learning. All rights reserved 53 9
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 10