Elektródpotenciálok és elektromotoros erő
elvégezni a laboratóriumi munka:
Összeállította YS Nikolaev Krylov TE
Véleményező vont. tehn. Sciences, docens MA Volohov
Hatás.Annak minden technikai különlegességek, irányokat.
A kémiai reakciók okozhat az elektromos áram. Elektródpotenciálok és elektromotoros erő
Célkitűzés: tudomást szerezhet a mechanizmusokat a kémiai reakciók, így az elektromos áram; kiszámítása és kísérleti meghatározása az elektromotoros erő (EMF).
A kémiai reakciók okozhat az elektromos áram.
Elektródpotenciálok és EMF.
Eszközök, amelyekben kémiai energia alakul át elektromos energiává, az úgynevezett sejt.
Zárt rendszerek, amelyekben nincs az az anyag megváltozik, az első főtétel van megfogalmazva, mint rendesen (ahol a hőmennyiség és a munka, a változás belső energia). Vagy olyan rendszerekben, ahol van egy változás mennyiségű anyagot (kémiai reakció), szükséges, hogy figyelembe vegyék a hozzájárulást a teljes energia, hogy „make”. Ha az a mennyiség i anyag a rendszerben növekszik, a növekedés a összeget kell figyelembe venni pozitív (). Mindegyik résztvevő anyagok a reakció megegyezik az úgynevezett „kémiai potenciál”, „felelős” a változás a rendszer energiája. Ha részt vesz a reakcióban k anyagok, az első főtétel kell írni:
Az utolsó tag az egyenlet tükrözi a „kémiai összetevő” a teljes energia a rendszer változás. Úgy ítélik meg részletesebben során kémiai termodinamika.
Munkát végzett a rendszer (a rendszer) lehet különböző jellegű (mgdh- munka gravitáció, pdV- használata megváltoztatja a gáz mennyisége, stb.) Ha a rendszer (a fenti rendszerben) elektromos munkát végzik, a „elektromos feladatot” (működését az elektromos töltés átviteli egy elektromos mezőben) Edq, ahol E jelentése a potenciális különbség (V), dq- mennyiségű villamos energia át (Cl). A maximális elméleti elektromos munkát lehet elérni egy egyensúlyi folyamat () feltéve, hogy a hő # 948; Q nem látszanak (szétszórt), és az egész „száraz munka” () lesz teljesen átalakul a villamos energia (Edq). Tekintettel arra, hogy a hőmennyiség, ahol Q- (J), I- áramerősség (A), R- ellenállás (ohm), t- idő (s), a méret lehet csökkenteni ellenállóképességének növelésére.
Energia kémiai reakciók folytassa egy elektromos (galvánelemek, akkumulátorok a kisülés során), és fordítva (elektrolízis, akkumulátorok, töltés közben). elektron transzfer a redukálószer, hogy az oxidálószert történik redox reakciók.
Ha az oxidációs-redukciós reakciót úgy hajtjuk végre, hogy az oxidációs és redukciós folyamatok térben elválasztott, és hozza létre a lehetőségét átmenet az elektronok a redukálószer az oxidálószerrel keresztül vezető (egy külső áramkör), majd irányított mozgása elektronov- elektromos áram a külső áramkörben.
Mechanizmusa előfordulása a potenciális különbség közötti határfelületen a vizes fázis a fém-fém-fémsó-oldat abban a tényben rejlik, hogy a rács helyek által elfoglalt kationok, amelyek között az elektronok mozognak. Ha egy fémet érintkezésbe hozzuk tiszta vizet, a poláros vízmolekulák érintkezzenek a fém kationokkal a felületi réteg amelynek hatására egy átmeneti kationok a folyékony fázisban. Következésképpen, a fém marad felesleges elektronok, egy negatív töltés. Napfény első kapcsolódó kation kevesebb energiafelhasználás, mint a következő átmenet elszakadni a felület, amelyen már a negatív töltés. Ezért, az átmenet a kationok a vízben leállítjuk, és a negatív töltésű, és pozitív töltésű fém oldatot egyensúlyi állapot jön létre. Van egy elektromos kétrétegű, amelynek szerkezete hasonlít a szerkezet egy kondenzátor, amely két ellentétes töltésű elektróda. Az elektródok között a kettős réteg van egy potenciális különbség vagy potenciális ugrás, vagy egyszerűen elektród potenciálját. Elektróda úgynevezett vezető az első ilyen jellegű kapcsolatot az elektrolit.
A legtöbb kationok koncentrálódik felületén a fém. Itt, a vékony folyadékréteg (körülbelül néhány angström) csökken szinte teljes potenciálját. Része kationok miatt a termikus mozgás megy mélyen a folyékony részét képező a diffúz réteg. A diffúz része a potenciális esik egy kisebb értékre, és nem olyan élesen (exponenciálisan). A teljes értékű potenciális # 981; tagjai a csökkenése a réteg (# 936;), közvetlenül szomszédos a fém (sűrű réteg (l 1) és diffúz (l 2) réteg (# 936; 1):
Ris.1.Shema elektromos kétrétegű
Minden fémek mártott tiszta víz, minőségileg hasonló módon viselkednek; mennyiségileg azonos kapcsolatban képesség, hogy küldjön ionok a folyékony fázis különböző fémek másképpen kifejezve. Egyenlő feltételek, ez függ az energia a porlasztás (fém átalakítás az energia izolált atomok), az ionizációs energia (energia az elektron leválás szabad atom és átalakítása egy pozitív töltésű ion) és hidratációs energia (energia átalakítás a fémionok a hidratált ionok). Minél alacsonyabb a energiája porlasztást és ionizációs energia és a nagyobb a hidratációs, annál nagyobb a képesség, hogy küldjön fémionok folyékony fázisban.
Ha a fém ólom soprokosnovenie tartalmazó oldattal ionokat a fém, a fém eltérően viselkedhetnek. Abban az esetben, aktív fém legvalószínűbb folyamat leválás a felületről a fém pozitív ionok, amelyek kölcsönhatásba lépnek a poláros vízmolekulák hidratált állapotban oldatba:
A fémfelület fertőzött negatív és pozitív rastvora- réteget.
Mivel a koncentráció a kationok oldatban a felületi potenciál egy fémion csökken, és a valószínűsége, hogy belépett a fémet az oldatból növekszik. Ha a sebesség ezek a folyamatok egyenlő, akkor a fém-oldat dinamikus egyensúly jön létre, azaz a van egy egyensúlyi potenciálja. A koncentráció növelése a fémionok az oldatban egy fémfelületet eltolja az egyensúlyt, a bal oldali és a nő (teszi kevésbé negatív) elektród potenciálját a fém. A koncentráció növelése a fémionok az oldatban csökken, ahogy a foka elmossa a diffúz része a kettős réteg és a feszültségesés az értéke a diffúziós rész
Mivel a passzív fémek, mint réz, ezüst, a hozam a ionok oldatban alig fordul elő. Ezért, amikor oldatába merítjük egy passzív fém sója túlsúlyban fémionok adszorbeált az elektród felületén:
Ebben az esetben, a fémfelületet pozitív töltésű, és a szomszédos rastvor- negatívan miatt felesleges só anionok ott.
Fém elektródák hagyományosan jelölik:
ahol a függőleges vonal közötti interfész az elektróda és az oldatot.
Továbbá a fém elektródok, ott is „gáz” elektródok. A nemesfémek Pt, Au és munkatársai. Kapcsolatban nagy energiájú ionizációs energia a porlasztás, és ne hozzon létre egy potenciális különbség felszabadulása miatt a pozitív ionok az oldatban. A potenciális ugrás történik a határ között a nemesfém-oldatot, ha az utóbbi nem tartalmaz kationokat fémből fontos szerepet játszik szelektív adszorpcióját molekulák, atomok vagy ionok a közeg. Például, egy platina elektród bevonva vékony réteg laza platina, hogy növelje a felülete elnyeli atomos hidrogén. A telítési platina hidrogén a felületi rétegben van állítva, ha az ilyen egyensúly jelentése hidrogénatom elektród tartalmazó oldatban hidrogén (2.ábra) ionok, a határ két fázis jön létre egy új egyensúly, és a teljes folyamat alábbi egyenlet fejezi ki: Ez az egyensúly a fém-oldat megfelel egyes potenciális platina, attól függően, hogy a hidrogénionok koncentrációját és hidrogén gáz nyomása az oldat felett, amely belemerül egy platina elektród. Bármilyen eltérés egyensúlyi potenciál hatására a reakció megy előre és hátra irányban.
Ábra. 2. pH-elektróda (félcella):
1. edényben; 2-stklyannaya trbka; 3-platina elektród; 4-szelepek; 5-szifon; 6-hidraulikus szelep.
Mint a hidrogén elektród lehet kialakítva az oxigén elektród illeszkedési határvonalat, amely a folyamat vagy reakció C Klór elektródát a villamos kettős réteg Platinum összes sluchayah- nemcsak alapján gáz elektródok, hanem egy forrás vagy egy mosogató elektronok. Ellentétben hidrogén-, klór- és oxigén elektródák pozitív töltésű ion miatt az átmenet az oldatban, és
A potenciális merülhet fel az inert elektród, amely oldatba merítjük, amely a redukált és oxidált formái vegyület. Ha FeCl3 oldatot alacsonyabb platina elektród, a kation Fe 3+ enyhítette a felületről a platina elektronok és válik Fe 2+ iont. Ennek eredményeként, a platina kap a pozitív töltés, és az oldatot a felszínen miatt negatív ee feleslegben Equilibrium kialakított elektromos kétrétegű alábbi egyenlet fejezi ki tehát, pozitív potenciált platina, amelyet a nagyobb, a nagyobb oxidáló képessége a kation. Ezzel szemben, annál nagyobb a regeneratív ion aktivitása, annál valószínűbb az elektron visszaadja őket a kristályrácsba platina és negatív töltés rajta. Mivel a negatív potenciál jelenik meg platina tartalmú oldatban krómionokat kétrétegű potenciális kiegyenlítődését platina ezekben a példákban határozza meg az aktív koncentrációja oxidált és redukált formájának az ionok és jellemzi az oxidációs-redukciós képességét az egyes rendszerek. Ezért a potenciális hívják redox.
Az abszolút értéke az elektród potenciál lehet meghatározni. Ezért azok összehasonlításával mérik másik azonos elektród potenciál, amely hagyományosan az értéke nulla. Role elektród, amelynek lehetséges szabványos feltételek nullának tekintjük, végrehajtja a standard hidrogén elektród, amely eljárást úgy hajtjuk végre, amikor a tevékenység (koncentráció) a hidrogén ionok egyenlő egységét, a parciális nyomása a normál légköri nyomás és a hőmérséklet 298 K.
A elektrokémia az elektród potenciál és a redox potenciál és a lehetséges felel meg a gáz elektród EMF áramkör, amely egy vizsgálati elektróda és egy standard hidrogén elektród. Lehetséges az úgynevezett szabványos (normál) abban az esetben, ha a tevékenység (koncentráció) az egyes tagok a reverzibilis elektród reakció egységét. Ha egy oxidálószert vagy egy redukálószert a rendszerben a gáz halmazállapotú, a parciális nyomása ezek egyenlőnek kell lennie 1 atm. (760 Hgmm. V. Vagy 1013 hPa).
Mérése elektromotoros erő kompenzáció módszert úgy hajtjuk végre, hogy a jelenlegi erőssége a kapott elektrokémiai cella nulla volt (egyensúlyt a rendszerben). Erre a pólus elektróda csatlakozik a névadó pólusok külső forrás ismert EMF. Módosításával az ellenállás értéke a kiválasztott külső forrást EMF, amikor a jelenlegi az áramkörben az elektrokémiai cella eltűnik. Az érték a kompenzáló feszültség voltban számszerűen egyenlő a standardpotenciál # 981; 0. így meghatározott szokásos elektród potenciál relatív értékek. Ha az elektronok a hidrogén-elektród, az abszolút töltés negatív, a külső áramkör bekapcsolja a másik, például egy elektród, akkor az ilyen elektród pozitív potenciál (0,337V). Párosított aktív fémek (cink, vas, magnézium) hidrogén elektród működik pozitív elektród, és azok # 981; 0 negatív, és az elektron-áramlás a fém elektród hidrogén.
A függelék bemutatja értékeit standardpotenciál # 981; 0. viszonyítva mérjük standard hidrogén elektród. A kisebb (a algebrai értelemben) értéke # 981; 0, annál kifejezettebb redukáló tulajdonságainak megfelelő elektrokémiai rendszer; éppen ellenkezőleg, a több # 981; 0, annál kifejezettebb oxidatív tulajdonságokat.
A függőség a elektród potenciál a anyagok koncentrációját a folyamatban részt vevő az elektróda, és a hőmérsékletet fejezi ki a Nernst-egyenlet:
itt # 981; 0 - standardpotenciál; R- gázállandó; T az abszolút hőmérséklet; F- Faraday szám (96.485 C / mol); N- elektronok száma részt vevő elektróda folyamatban; [Ox] és [Red] INF (koncentráció) az érintett anyagok a redox folyamat oxidált [Ox] és a redukált [Red] formák. Normál méréseket elektrokémiai hőmérsékletű (25 ° C-on 298 K), helyettesítjük az állandók értékeit (R = 8,31 J / mol · K, F = 96.485 C / mol), az egyenlet a formája:
Abban az esetben, fém elektródák a fémsó-oldat oxidált formája a fém ionokat, és ezáltal [Ox] = [Me n +]. Ez a redukált formája a fém atomok. Mivel a koncentráció fém a rácsállandó hőmérséklet [Red] = const, amely indokolt szigorúan termodinamika, akkor:
Ahhoz, hogy a hidrogén-elektród állandó parciális nyomása a normál légköri nyomás:
Mivel vagy ítélve. Kapjuk.
Mivel bármely két redox rendszerek (például, vagy) képezhet az elektrokémiai áramkör (3. ábra). Így egy negatív elektród potenciál redox rendszer szolgál majd az anód (Zn), és egy polozhitelnym- katód (Cu). Abban az anód, az oxidáció (a visszatérés az elektronok a külső áramkör) - anód negatív töltésű. hasznosítás kerül sor a katód (kapni e) - a katód pozitív töltésű. Mivel a potenciális különbség, elektron fog elmozdulni az anód és a katód. Ez zavarja az egyensúly az elektromos kettős réteg az anód (a potenciális megnő) és a katód (a potenciális csökken). Mindkét rendszer ismét törekszik egyensúlyi oxidációja miatt a cink és csökkentése a réz a réz elektróda. A teljes áram-képző reakció:
Ris.3.Shema réz-cink elem. EK- elektrolitikus kulcs (só-hidat).
Ezek a folyamatok tárolt potenciális különbség, amely állandó átmenet az elektronok cink réz- elektromos áram az áramkörben. A belső része a lánc SO 4 2- anionok mozgatunk a réz a cink elektród. Ezért, a munka a elektrokémiai cella lehetséges, ha mind tsepey- áramkör között a fém elektród az elektron transzferre és folyékony (az elektrolit) mozogni ionok. Folyékony áramkör zár általában hajlított üvegcső (elektrolit híd) géllel töltött zselatin vagy agar-agar-agar tartalmazó elektrolitot. Ahelyett, hogy egy ilyen vezeték lehet alkalmazni, hogy a porózus érfal, de ebben az esetben bizonyos idő múlva diffúziós folyamatok összetételének megváltoztatására az elektrolit, és koncentrációja, amely befolyásolja az értéke az elektród potenciál.
Feltételek felvétel áramkörök a sejt, abban a tényben rejlik, hogy a felvett bal elektróda negatívnak kell lennie. Két függőleges vonalak azt jelzik, hogy a diffúziós potenciál (vagyis a potenciális különbség felmerülő közötti érintkezés két elektrolit oldatok a diffúziós sebességek különböző ionok különbségek) közötti ustranen.Chasto megoldásokat szükséges azt a koncentrációját jelöli oldatok, ha azok eltérnek a standard, és az összetétele a só-hidat . Például:
Például, ha egy korábbi rendszerben, de elektrolit oldatok jól meghatározott koncentrációban (jellemzi a standard), akkor a teljes rögzítési rendszer megköveteli, hogy meghatározza azok koncentrációját az áramkörben az elektrokémiai cella.
A potenciális különbség segítségével lehet létrehozni ugyanazt a megoldást, és különböző koncentrációjú azonos elektródák. Ebben az esetben, az elektrokémiai cellát az úgynevezett koncentrációt és működik, illessze az oldatok koncentrációját:
Vannak még galvánelemek szilárd elektrolit:
EMF elektrokémiai cella (E) van társítva változás Gibbs-féle szabad energia oxidációs-redukciós reakció a sejtben a következő egyenlet szerint:
ahol n- ion töltése, az energia a Gibbs.
Tekintettel arra, hogy a változás a szokásos Gibbs a reakció kapcsolódik az egyensúlyi állandó kapjunk egyenlete az elektromotoros erőt az egyensúlyi állandó a cellában: