KEMA02 Organisk kemi grundkurs F9 Elektrkemi Redxreaktiner ch Galvaniska er 1 Atkins & Jnes kap 13.1 13.5
Översikt kapitel 13.1 13.5 Redxreaktiner Halvreaktiner Balansering av redxreaktiner Galvaniska er Uppbyggnaden av galvaniska er Reaktiner ch ptential Gibbs fria energi Tecknandet av er Redxreaktiner Peridiska systemet Vltas stapel det första batteriet Alessandr Vlta 1745 1827 Elekrlyt H 2 SO 4 i saltvatten Zink Kppar 1 element
13.1 Halver Halvsreaktin Separat behandling av reduktins- ch xidatinsreaktinerna Ttalförlpp för reaktinen mellan Zn(s) ch Ag + (aq): Zn(s) + 2 Ag + (aq) Zn 2+ (aq) + 2 Ag(s) kan delas upp i följande tänkta halvsreaktiner Oxidatin Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2 e Reduktin Ag + (aq) + e Ag(s) Oxidatin: avgivande av elektrner Reduktin: upptagande av elektrner Zn 2+ /Zn(s) är ett redxpar ch Ag + /Ag(s) är ett annat redxpar. 13.2 Balansering av redxreaktiner Reaktin i sur lösning Exempel 13.1 Reaktin mellan MnO 4 ch H 2 C 2 O 4 i sur lösning. Löses på tavlan KMnO 4 Kaliumpermanganat anv. bl a desinfektinsmedel Permanganatjn Oxalsyra finns bl a i rabarber I sur lösning bildas Mn 2+ (aq) ch CO 2 (g)
13.2 Balansering av redxreaktiner Balansering av redxfrmler 1. Frmlerna för reaktanter ch prdukter (utm H 3 O +, OH ch H 2 O, såvida ej OT ändras hs dessa) skrives upp. Av prtlyter väljs den frm, sm dminerar vid ifrågavarande ph. 2. De i redxprcessen deltagande atmernas OT skrives upp ch ändringarna beräknas. Antalet avgivna elektrner ska vara samma sm antalet upptagna elektrner. Ur detta fås kefficienterna för xidatins- ch reduktinsmedlen. 3. Övriga atmslag, utm väte ch syre, balanseras. 4. Laddningsbalans åstadkmmes genm tillfgande av ett lämpligt syra-baspar (eller mtsvarande) t ex a. i sur lösning H 3 O + ch H 2 O (symblen H + är tillåten i redxfrmler) b. i alkalisk lösning OH ch H 2 O c. i ammniaklösning NH 4 + ch NH 3 d. i karbnatlösning CO 3 2 ch CO 2 5. I från början neutral lösning balanseras med H + eller OH i högra ledet. 6. Väte balanseras. Vätet bildar eller bildas av vatten, m reaktinen sker i vattenlösning. 7. Frmeln kntrlleras, t ex genm räkning av antalet syreatmer på båda sidr. 13.2 Balansering av redxreaktiner Exempel 13.1 Reaktin mellan MnO 4 ch H 2 C 2 O 4 i sur lösning. Svar: 2 MnO 4 (aq) + 5 H 2 C 2 O 4 (aq) + 6 H + (aq) 2 Mn 2+ (aq) + 8 H 2 O(l) + 10 CO 2 (g)
Viktiga begrepp Elektrkemisk Anrdning där en elektrisk ström antingen prduceras (galvanisk ) eller tillförs (elektrlys). Galvanisk Elektrkemisk där en spntan kemisk reaktin används för att generera en elektrisk ström. Exempel: batterier. Elektrlytisk /elektrlys Elektrkemisk där ström används för att driva en annars icke-spntan reaktin. Exempel: framställning av Al(s) 13.3 Galvaniska er Redxreaktin Zn(s) + Cu 2+ Zn 2+ (aq) + Cu(s) Om ett zinkbleck stppas i en lösning av kpparsulfat kmmer Cu(s) att falla ut på zinkblecket eller sm fällning i bägaren. Zn 2+ kmmer att bildas i lösningen. Fria energin (Gibbs fria energi, ΔG) ändras medan elektrnerna överförs tills jämvikt uppnås (ΔG = 0). Energin avges sm värme, men inget elektriskt arbete utförs. Galvanisk Vi separerar reaktanterna, men tillhandahåller en väg för elektrnerna att vandra från Zn(s) till Cu 2+.
13.3 Galvaniska er Galvanisk zinkelektrd zinksulfat e e And xidatin saltbrygga kpparelektrd kpparsulfat Katd reduktin En galvanisk består av elektrder, sm inte är i kntakt med varandra men med halvens innehåll, ch elektrlyt, ett medium sm är ett jniskt ledande medium (t ex en vattenlösning med jner). Den kemiska reaktinen skjuter elektrnerna från den elektrd där xidatinen sker (anden) till den elektrd där reduktinen sker (katden). Elektrderna är förbundna med en extern krets. Elektrnflödet, strömmen, kan användas för att utföra elektriskt arbete. Halverna är förbundna med en saltbrygga eller ett pröst membran (för laddningsutjämning). En saltbrygga består fta av en gel med en kncentrerad saltlösning (t ex Na 2 SO 4, KNO 3 ). 13.3 Galvaniska er Galvanisk Daniellelement
Hur man tecknar en galvanisk Galv Cellschema Katden (reduktin, +) tecknas alltid till höger i schemat. Anden (xidatin, ) tecknas alltid till vänster i schemat. Zn(s) Zn2+ (aq) Cu 2+ (aq) Cu(s) Fasgräns tecknas med enkelstreck, saltbrygga med dubbelstreck. Ämnen sm befinner sig i samma fas skiljs åt med kmmatecken. Mer m knventiner vid tecknandet av schema, se Atkins 13.5. 13.4 Cellptential ch Gibbs fria energi Skillnaden i dragkraft m elektrnerna blir den galvaniska ens drivkraft, ptential, E. (Atkins använder beteckningen E ) Str skillnad i dragkraft ger hög ptential ch tvärtm. Gibbs fria energi, ΔG, är en tillståndsfunktin sm anger m en prcess är spntan (ΔG < 0) eller inte spntan (ΔG > 0). Vid jämvikt är ΔG = 0. Samband mellan ΔG ch E ΔG = nfe n = ml elektrner F = Faradays knstant 9,6485 10 4 C (ml e ) 1
Beräkning av ΔG ur ptential Exempel 13.3 Cellptentialen för Daniellelementet är 1,04 V. Beräkna ΔG för reaktinen då Zn(s) xideras av Cu 2+. Räknas på tavlan. Beräkning av ΔG ur ptential Exempel 13.3 Svar: 2,01 10 5 J/ml Zn 2+, dvs 2,01 10 2 kj/ml Zn 2+
Gibbs fria energi vid standardtillstånd Samband mellan ΔG ch E ΔG = nfe n = ml elektrner F = Faradays knstant 9,6485 10 4 C (ml e ) 1 Ytterligare ett viktigt samband ΔG = nfe ΔG (Gibbs fria energi vid standardtillstånd*), E (ptentialen vid standardtillstånd*) Standardtillstånd: alla deltagande species är sina standardtillstånd, dvs kncentratin 1 M, P = P = 1 bar, fasta ch flytande faser är rena (dvs har a = 1). OBS! Det är tecknet på ΔG sm visar m en reaktin är spntan eller ej! ΔG < 0, dvs E > 0 spntan reaktin. Att skriva reaktiner Test 13.5A a. Skriv ttalreaktinen sm mtsvarar en Pt(s) H 2 (g) H+ (aq) C 3+ (aq), C 2+ (aq) Pt(s) b. Om ptentialen, E, är psitiv: är reaktinen spntan sm den skrivs? Löses på tavlan!
Att skriva reaktiner Test 13.5A Svar a. H 2 (g) + 2 C 3+ (aq) 2 H + (aq) + 2 C 2+ (aq) b. Ja Frtsättning följer Föreläsning 10 Nrmalptentialer Elektrkemiska spänningsserien Nernst ekvatin
Övningsuppgifter Övningsuppgifterna för Ö5 ch Ö6 är uppdaterade. Uppdaterad lista finns på kursens hemsida: http://www.kemi.lu.se/utbildning/grund/kema02/