Fizikai kémia I. a 13. VL osztály részére 2013/2014 Elektrokémia ‒ elektródok http://tp1957.atw.hu/fk_72.ppt Állapot: végleges

13. VL fizkém órái március – májusban 2014. 03. 12. Sz Ellenőrző kérdések kiadása (internet) 2014. 03. 20. Cs Ismétlés (49. óra) 5. témazáró dolgozat (50. óra) Új tananyag: Elektrokémia - bevezetés 2014. 04. 03. Cs Gyenge és erős elektrolitok Elektród, elektród-folyamatok, elektród- potenciál, galvánelem 2014. 04. 24. Cs Elektródok fajtái, elektrolízis, Faraday- törvények, az elektrolízis hatásfoka Ellenőrző kérdések kiadása (internet) Házi feladat kiadása 2014. 05. 15. Cs Ismétlés (61. óra) 6. témazáró dolgozat (62. óra) Házi feladat beadása (Segítség a házi feladathoz)     

Kémiai és elektrokémiai folyamatok Ha réz-szulfát oldatba cinklemezt mártunk, arra réz válik ki: CuSO4 + Zn → Cu + ZnSO4 A folyamat ionosan: Cu2+ + Zn → Cu + Zn2+. Ez két folyamatból tevődik össze: a réz(II)-ionok redukálódnak fémrézzé Cu2+ + 2 e‒ → Cu a cink oxidálódik cink-ionná Zn → Zn2+ + 2 e‒ Ha a két anyagot nem engedjük érintkezni, de az elektronok átjutását biztosítjuk, a két folyamat térben szétválik és a vezetőn áram folyik. Ez a galvánelem: időben egyszerre, de térben szétválasztva zajlik az oxidáció és a redukció.

Az elektród-potenciál kialakulása Mi történik, ha egy fémlemezt saját ionjait tartalmazó oldatba mártunk? a fémből ionok kerülnek az oldatba, elektronokat hátrahagyva, így a fém negatív töltésű lesz; magához vonzza a pozitív ionokat; a fémre az oldatból fémionok válnak ki, így a fém pozitív töltésű lesz; magához vonzza a negatív ionokat; A kialakuló elektromos kettősréteg (kondenzátor) feszült-sége az elektród-potenciál.

Az elektród-potenciál függése a folyamattól = az anyagi minőségektől (ion és elektród), általánosan: Me ⇌ Mez+ + z e‒ pl. Zn ⇌ Zn2+ + 2 e‒ hőmérséklettől (T), koncentrációktól (ion és elektród), vagy a nyomástól (gáz). A folyamattól való függés a standard potenciálban (E0) van, a koncentrációktól való függés az egyensúlyi állandóban (K): E = E0 + R·T·ln K z az ion töltésszáma vagy töltésszám változása; F a Faraday-állandó 96500 As/mol

Az elektród-potenciál mérése Hogyan lehet mérni az elektród-potenciált? Sehogy. Az okok: az elektromos kettősréteg igen vékony, az érzékelésre bevezetett szondának is lesz elektród-potenciálja az oldathoz képest. Csak elektród-potenciál különbséget tudunk mérni! A különbség a két elektródból álló galvánelem feszültsége. Akkor honnan vannak a táblázatok adatai? Elektródfolyamat E0, V Cu2+ + 2 e‒ → Cu +0,34 H3O+ + e‒ → ½ H2 + H2O 0,000 Zn2+ + 2 e‒ → Zn ‒0,76 K+ + e‒ → K ‒2,93

A standard hidrogén-elektród Viszonyítási alapként a standard hidrogén-elektródot választották: E0(H) = 0,000 V

Az elektródok fajtái 1. Elektroncsere-egyensúly alapján működő (klasszikus potenciometriás) elektródok 1.1. Elsőfajú fém- és gázelektródok, pl. Cu/Cu2+ 1.2. Másodfajú elektródok, pl. Ag/AgCl, Cl–; Hg/Hg2Cl2, Cl; Hg/Hg2SO4, SO42– 1.3. Harmadfajú elektródok, pl. Pb/(Pb-oxalát, Ca-oxalát), Ca2+ 1.4. Redoxielektródok (Pt) 2. Fázishatár-egyensúly alapján működő elektródok 2.1. Üvegelektródok 2.1.1. pH-szelektív üvegelektród, 2.1.2. Fémion-szelektív 2.2. Folyadékmembrán-elektródok (pl. PVC-ben immobi-lizált aktív anyagot tartalmazó elektródok) 2.3. Csapadékalapú ionszelektív elektródok, pl. F–, Cl–, S2, CN–, Cu2+ elektród

Gázelektródok Hidrogén-elektród ‒ már ismerjük. A standard hidrogén-elektród a viszonyítási alap, E0(H) = 0,000 V. Folyamat: ½ H2 + H2O ⇌ H3O+ + e‒ p0 = 101 kPa Klór-elektród ‒ hasonló, de klór buborékol a Pt körül. Folyamat: Cl‒ ⇌ ½ Cl2 + e‒

Az elektródok alkalmazása Megfelelően összeállított elektródpár alkalmas lehet energia termelésére (galvánelem, ld. következő alfejezet) bizonyos anyagok koncentrációjának mérésére. Mit mérhetünk így? Kationok (fémek, ammónium, oxónium) anionok (klorid, stb.) koncentrációját. Hogyan mérhetjük ezeket? Kell hozzá mérő- vagy indikátor elektróda (pl. pH-üvegelektróda), vonatkoztatási vagy referencia elektróda (másodfajú, pl. Ag/AgCl), megfelelő műszer.

Számolási feladat Pt. 154/16. Számítsa ki a t = 25 ⁰C hőmérsékletű rézelektród elektród-potenciálját c = 2,0·10–2 mol/dm3 koncentrációjú CuCl2-oldatban! c = 0,02 mol/dm3 E0 = +0,34 V z = 2 = 0,34 + 0,0295·(‒1,7) = 0,29 V

Számolási feladat Pt. 154/15., 154/17. Számítsa ki a t = 25 ⁰C hőmérsékletű, p = 1 bar nyomású hidrogénelektród elektródpotenciálját c = 2,5·10–2 mol/dm3 koncentrációjú HCl-oldatban! E = 0,059·lg c(H3O+) E = 0,059·lg 2,5·10–2 E = 0,059·(‒1,6) = ‒0,094 V Számítsa ki a t = 25 ⁰C hőmérsékletű, p = 1 bar nyomású klórelektród elektród-potenciálját c = 2,5·10–2 mol/dm3 koncentrációjú HCl-oldatban! E = 1,454 V

Szakirodalom Tankönyvek (általános vegyipari technikusi szak részére) Dr. KOPCSA József: Fizikai kémia (technikusképzés, III. és IV. évf. számára) Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1998. Példatárak Dr. STANKOVICS Éva: Kémiai és fizikai kémiai szakmai vizsgafeladatok II/14. évfolyam tanulói jegyzet