ELEKTROKÉMIA
1
ELEKTROKÉMIA
Elektromos áram:
- fémekben: elektronok áramlása - elektrolitokban: ionok irányított mozgása
Elektrolízis: elektromos áram által előidézett kémiai átalakulás Galvánelem: elektromos áram (energia) termelése redox-reakciók által
2
ELEKTROKÉMIA
3
ELEKTROKÉMIA
Fémgyártás
4
Luigi Galvani (1737-1798)
5
Alessandro Volta (1745-1827)
6
ELEKTROLÍZIS A NaCl-olvadék elektrolízise (Downs-eljárás)
olvadék
_
_
vaselektród
+
vaselektród
grafitelektród
7
ELEKTROLÍZIS
A NaCl-olvadék elektrolízise (Downs-eljárás)
„Az anódon MINDIG oxidáció (e- leadás) megy végbe!!!” Anód (+): Oxidáció:
2Cl-
Cl2 + 2e-
Katód (-): Redukció:
Na+ + e-
Na
8
A Na2SO4 vizes oldatának elektrolízise
ELEKTROLÍZIS
H 2O
áramforrás
_
H+ + OH-
Katód (-):
+
2H+ + 2e-
H2
Anód (+): 2OHkatód
1/2O2 + H2O + 2e-
anód
A H+- és az OH--ionok semlegesítéséhez kisebb energia szükséges, mint a Na+, ill. SO42- ionokéhoz. 9
ELEKTROLÍZIS
m=
M . Q z F
Az elektrolízis sztöchiometriája Q=I·t I = az elektrolízishez használt áram erőssége (A) t = az elektrolízis időtartama (s)
m = a levált anyag tömege M = moláris tömeg z = felvett, ill. leadott elektronok száma Q = töltésmennyiség (C) F = Faraday-állandó, 96485 C (F = NA . e = 6,022.1023.1,6022.10-19 C)
Ha az elektrolizáló cellán 96485 C elektromos töltés halad keresztül, mindkét elektródon 1 egyenértéknyi anyag alakul át (semlegesítődik). Pl. 1 mol Na+, ½ mol Cu2+, 1/3 mol Al3+, 1 mol Cl- stb. 10
GALVÁNELEMEK
A Daniell-féle elem felépítése
elektromos áram termelése redox reakciók segítségével
John Frederic Daniell (1790 – 1845)
Anód (-) oxidáció
Katód (+) redukció
11
GALVÁNELEMEK
A Daniell-féle elem felépítése
„Az anódon MINDIG oxidáció (e- leadás) megy végbe!!!”
Zn
Cu
Zn
Zn2+ + 2e- oxidáció
Cu2+ + 2e-
Cu
Zn +
anód
katód
Cu2+
2e-
redukció
Zn2+ + Cu
porózus válaszfal (membrán)
Zn (sz) ZnSO4(1 mol/dm3)
CuSO4 (1 mol/dm3) Cu (sz) 12
GALVÁNELEMEK
A Daniell-féle elem felépítése
13
Lechlanché-elem Katód
Anód 14
Elektródpotenciál. Az elektromos kettősréteg fémelektród Elektródfolyamat: Me
Men+ + neelektródpotenciál
Az oldat és a fém között kialakuló potenciál nem mérhető, csak valamihez viszonyított potenciálkülönbség. elektromos kettősréteg
oldat 15
A standard hidrogénelektród A viszonyítási alap: a normál hidrogénelektród, amelynek elektródpotenciálja (önkényesen) ε o = 0 V
16
Elektródpotenciál, elektromotoros erő A galvánelem két elektródja közötti potenciálkülönbség:
E = ε (katód) – ε (anód) E = elektromotoros erő (V), ha a galvánelemen nem halad át áram
17
Elektródpotenciál, elektromotoros erő Ha a normál hidrogénelektródot bármely más elektróddal galvánelemmé kapcsoljuk, az e.m.e. a kérdéses elektród elektródpotenciálját adja meg: E = εo (X) – εo(H2) pl. rézelektród (Cu/Cu2+) – hidrogénelektród E = εo (Cu) – εo(H2) = +0,34 V, tehát εo (Cu) = + 0,34 V
18
Az elektrokémiai feszültségsorozat (normálpotenciálok 25oC-on)
Elektródfolyamat
19
Néhány standard elektródpotenciál, ill. a belőlük összeállítható galvánelemek elektromotoros ereje (Eo)
E = ε (katód) – ε (anód)
20
Az elektródpotenciál koncentrációfüggése (Nernst-egyenlet)
RT ε = ε + n F lnc ο
0,05916 lgc ill. ε = ε + n ο
εo = standard el.potenciál c = koncentráció, mol/dm3 R = egyetemes gázállandó T = hőmérséklet F = Faraday-állandó (96485 C) n = az elektródfolyamatban résztvevő elektronok száma A Daniell-elem elektromotoros ereje
eme = ε
0 Zn
−ε
o Cu
RT c Cu + ln nF c Zn
Walther Nernst (1867-1941) 21
Koncentrációs elemek A koncentrációs elemek olyan galvánelemek, amelyek két egyforma minőségű elektródból épülnek fel, de koncentrációjuk eltérő. Cu Cu2+(0,01 mol/dm3)
ε(1) = εo +
E = ε(2) – ε(1) =
0,05916 lg 0,01 2 0,05916 2
lg
Cu2+ (0,1 mol/dm3) Cu
ε(2) = εo + 0,1 0,01
0,05916 lg 0,1 2
= 0,0296 V
22
Másodfajú elektródok Egy galvánelem elektródjainak elektródpotenciálja a működés során folyamatosan változik (elsőfajú elektródok, polarizáció). Vannak olyan elektródok, amelyek potenciálja áram áthaladása mellett sem változik meg másodfajú elektródok. pl. Ag/AgCl-elektród, Hg/Hg2Cl2-elektród (kalomel-elektród) ο
ε = ε (Ag) + Ag KCl-old. 1M AgCl
Cl−
RT +) lnc(Ag n.F ο
ε = ε (Ag) +
Ag+ konstans
L = c(Ag+) · c(Cl-)
RT L ln n.F c(Cl-) konstans
ε(Ag/AgCl) = 0,2894 V
23
Másodfajú elektródok Kalomel-elektródok
24
A „dinnyelem” elektromotoros ereje
25
Ugyanaz citrommal
26
A pH elektrokémiai mérése (mV- és pH-skála)
Ag KCl-oldat
pufferoldat
pH-érzékeny vékony üveggömb
üvegelektród e(ü) = eo(ü) + 0,05916 lg c(H+)
membrán Ag/AgCl referenciaelektród e(ref) = konstans
E = e(ü) – e(ref) 27
Üvegelektród
28
Üvegelektród
29
Üzemanyagcellák
30
Üzemanyagcellák
31
Üzemanyagcellák
32
Metanolgazdaság Oláh György
Kémiai Nobel-díj (1994)
Anód: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6eKatód: (3/2)O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O Bruttó reakció: CH3OH + (3/2)O2 → CO2 + 2H2O
33
Korrózió
Katódfolyamat: 2H++ 2e- → H2
Anódfolyamat: Me
Men+ + ne-
34
Helyi elemek oxidáció
redukció
vas
réz
35
Elektrokémia és fogászat
Az egymással érintkező fémek helyi elemet hoznak létre, a kevéssé nemes fém oldatba megy!
aranykorona
fogtömés Katód: O2 (g) + 4H+ (aq) + 4 eAnód:
Sn8Hg
2H2O(l)
Sn2+ + e36
Korrózióvédelem Passzív (csak addig véd, amíg meg nem sérül a bevonat) - védőbevonatok készítése - ónbevonat - festék - rozsdamentes acél (krómtartalom > 10%) Aktív
katódos fémvédelem
-horganyzás (Zn bevonat) -földalatti vezekékek összekötése Mg tömbbel
37
