Elektrochemia
Przewidywanie produktów elektrolizy prowadzonej w roztworach wodnych na elektrodach obojętnych
I prawo elektrolizy
Masa substancji wydzielonej na elektrodzie w wyniku procesu elektrolizy jest wprost proporcjonalna do ładunku przepływającego przez elektrolit.
Mikroogniwo Fe/Ni
Anodę stanowi żelazo, a katodę – nikiel; na elektrodach zachodzą następujące reakcje:
II prawo elektrolizy
Stosunek masy molowej M substancji wydzielanej na elektrodzie do iloczynu jej równoważnika elektrochemicznego i liczby elektronów n wymienionych w reakcji elektrodowej przez jeden mol substancji jest wielkością stałą dla wszystkich procesów elektrodowych i wynosi 96 500 C/mol:
Podział elektrod
Elektroda metaliczna należy do elektrod I rodzaju, które ogólnie można scharakteryzować następująco: metaliczne : blaszka metalowa w roztworze zawierającym jony tego metalu gazowe : metal szlachetny (np. platyna) zanurzony do roztworu nasyconego gazem, zawierającego jony tego samego pierwiastka,np. utleniająco-redukujące : metal szlachetny (np. platyna) zanurzony w roztworze zawierającym jony na różnych stopniach utlenienia, np. Przenośnikiem elektronów jest blaszka...
Elektrody
Metal zanurzony do roztworu swoich jonów: przekazuje jony do roztworu ładując się na powierzchni ujemnie(przy małym stężeniu elektrolitu): Me → M en+ + n e− przyjmuje na swoją powierzchnię jony z roztworu ładując się dodatnio (zachodzi przy dużym stężeniu elektrolitu lub gdy metal wykazuje małą aktywność chemiczną – metal szlachetny): M en+ + n e− → Me Metal zanurzony do roztworu swoich jonów nosi nazwę elektrody metalicznej (półogniwa). Na granicy metal–roztwór tworzy się...
Procesy zachodzące podczas elektrolizy kwasów
Procesy zachodzące podczas elektrolizy soli
Elektrody
anoda (połączona z dodatnim biegunem źródła prądu)– do anody migrują jony ujemne, zachodzi utlenianie, katoda (połączona z ujemnym biegunem źródła prądu)– do katody migrują jony dodatnie, zachodzi redukcja. Najczęściej używane są elektrody platynowe lub grafitowe (elektrody obojętne), ale istnieją również inne rodzaje elektrod np. elektrody miedziane.
Elektroliza
Elektroliza – całokształt zjawisk (szereg reakcji utleniania-redukcji), wywołanych przepływem stałego prądu elektrycznego przez roztwory elektrolitów lub formę stopioną substancji. Aby przeprowadzić elektrolizę potrzebne są: źródło prądu stałego, elektrody zanurzone w elektrolicie, woltomierz lub amperomierz, opornik do regulowania różnicy potencjałów między elektrodami, elektrolizer wraz z elektrolitem. Elektroliza jest procesem wymuszonym przez przyłożone z...
Kolejność rozkładu substancji na anodzie
aniony reszt kwasów beztlenowych aniony wodorotlenkowe woda: Uwaga: W roztworze wodnym nie ulegają utlenieniu aniony reszt kwasów tlenowych!
Kolejność rozkładu substancji na katodzie
kationy metali ciężkich (znajdujących się za glinem w szeregu napięciowym) kationy wodoru H + (dla roztworu o odczynie kwasowym) woda: Uwaga: W roztworach wodnych nie będzie występowała redukcja kationów metali lekkich (znajdujących się w szeregu napięciowym przed glinem)!
Możliwe procesy elektrodowe
Zakładając, że elektrolizę prowadzi się używając elektrod obojętnych (np. platyna) i poddano jej wodne roztwory elektrolitów, wymienimy poszczególne możliwe procesy elektrodowe
Prawa elektrolizy
I prawo : masa substancji wydzielonej na elektrodzie w wyniku procesu elektrolizy jest wprost proporcjonalna do ładunku przepływającego przez elektrolit: m = k · I · t = k · Q, gdzie: k – równoważnik elektrochemiczny, I – natężenie prądu [A], t – czas trwania elektrolizy [s], M – masa molowa substancji wydzielonej na elektrodzie, Q – ładunek elektryczny. II prawo: stosunek masy molowej M substancji wydzielanej na elektrodzie do iloczynu jej równoważnika elektrochemicznego i...
Czynniki wpływające na szybkość korozji
a) zwiększenie szybkości poprzez: obecność soli (np. NaCl) – zwiększenie liczby jonów w roztworze; jony mają za zadanie zwiększenie przewodnictwa elektrycznego roztworu, obecność jonów H + . b) zmniejszenie szybkości poprzez obecność jonów OH – . Uwaga: w mikroogniwach metal stanowiący anodę ulega szybkiemu zniszczeniu. Mikroogniwa tworzą się w układzie: gwóźdź połączony z drutem miedzianym, niklowym lub z drutem cynkowym, korozja zachodzi łatwiej niż dla gwoździa...
Mikroogniwo Fe/Zn
Anodę stanowi cynk, a katodę – żelazo; na elektrodach zachodzą następujące reakcje:
Wykorzystanie praw elektrolizy przy rozwiązywaniu zadań,
Elektroliza wodnego roztworu CuCl 2 : Analizując równania procesów elektrodowych można wnioskować, że w tym samym czasie na katodzie osadza się 1 mol atomów miedzi (63,5 g) oraz na anodzie wydziela się 1 mol (22,4 dm 3 ) cząsteczek chloru Cl 2 (warunki normalne). W tym czasie przez elektrolizer przepłynął ładunek 2 moli e – , czyli ładunek równy 2 · 96 500 C.
Korozja
Korozja to stopniowe niszczenie tworzyw wskutek działania środowiska. Przyczyną mogą być różne procesy chemiczne, elektrochemiczne, biologiczne czy mechaniczne. Znana z życia codziennego korozja metali i ich stopów należy do korozji elektrochemicznej; korozja żelaza prowadzi do utworzenia rdzy, czyli mieszaniny wodorotlenków, tlenków i węglanów. Do jej powstania konieczna jest obecność tlenu i wody. W warunkach domowych można przeprowadzić następujące doświadczenie: Obserwacja:...
Ogniwa
Układ utworzony przez połączenie dwóch elektrod za pomocą klucza elektrolitycznego nosi nazwę ogniwa elektrochemicznego. W ogniwie elektrody połączone są ze sobą przewodnikiem metalicznym, który pełni rolę przekaźnika elektronów, a roztwory kluczem elektrolitycznym, który umożliwia przepływ niewielkiej liczby jonów, wyrównujący bilans ładunku. Zamknięcie obwodu np. amperomierzem, woltomierzem spowoduje, że ich wskazówka wychyli się, czyli w układzie płynie prąd. Ogniwo jest źródłem prądu na...
Znaczenie ogniw w życiu codziennym
Najstarszym znanym ogniwem jest skonstruowane w 1800 roku ogniwo Volty, składające się z blaszki cynkowej i miedzianej zanurzonych w roztworze H 2 SO 4 . Na elektrodach w ogniwie Volty przebiegają następujące reakcje: Ogniwo to ma znaczenie jedynie historyczne. Obecnie używane ogniwa mają szerokie zastosowania w życiu codziennym, np. do konstrukcji baterii. Do wyrobu baterii używa się tzw. suchych ogniw Leclanchégo (ogniw węglowo-cynkowych). Składają się one z pręta węglowego...
Elektroliza
Jest to całokształt zjawisk (szereg reakcji utleniania - redukcji) wywołanych przepływem stałego prądu elektrycznego przez roztwory elektrolitów lub ich formę stopioną. Elektroliza jest procesem wymuszonym przyłożonym z zewnątrz napięciem. Najniższe napięcie zewnętrznego źródła prądu stałego potrzebne do wywołania reakcji elektrodowej to napięcie rozkładowe. Jest ono równe co najmniej sile elektromotorycznej ogniwa, w którym zachodzi samorzutnie analogiczna reakcja, ale w kierunku...
Procesy zachodzące podczas elektrolizy wybranych kwasów, zasad i soli
Jeżeli anoda wykonana jest np. z miedzi, to należy dodatkowo uwzględnić proces jej anodowego roztwarzania, np. podczas elektrolizy roztworu wodnego CuSO 4 na elektrodach miedzianych: Jeżeli katoda wykonana jest np. z rtęci, to w tych warunkach wszystkie metale ulegają redukcji na katodzie, tworząc tzw. amalgamat. Jeżeli elektrolizie poddano stopione elektrolity (np. tlenki, wodorotlenki, sole), to w tych warunkach wszystkie metale ulegają redukcji na katodzie (niezależnie od...
Procesy zachodzące podczas elektrolizy zasad
Przewodniki oraz półogniwa
Substancje przewodzące prąd elektryczny to przewodniki. Można je podzielić na: Układ złożony z bezpośrednio stykających się przewodników jonowego i elektronowego to półogniwo . Na granicy metal–roztwór jonów tego metalu tworzy się podwójna warstwa elektryczna, dzięki temu elektroda uzyskuje pewien potencjał elektryczny (tzw. potencjał elektrody), który zależy od rodzaju metalu, rodzaju elektrolitu i stężeń jonów w roztworze. Ilościowo potencjał takiej elektrody tzw. pierwszego...
Szereg napięciowy metali
Zestawienie standardowych potencjałów elektrod metalicznych, uporządkowanych według rosnących wartości E o , tworzy tzw. szereg napięciowy metali: ujemna wartość potencjału w szeregu wskazuje, że metal ma większą zdolność do utraty elektronów niż wodór (większa zdolność metalu do utleniania się) – metal jest silniejszym reduktorem, najbardziej aktywne metale znajdują się na początku szeregu napięciowego, najmniej aktywne są na końcu (metale szlachetne), metal bardziej aktywny...
Ogniwa galwaniczne
Układ utworzony przez połączenie dwóch półogniw za pomocą klucza elektrolitycznego nosi nazwę ogniwa galwanicznego. W ogniwie elektrody połączone są ze sobą przewodnikiem metalicznym, który pełni rolę przekaźnika elektronów, a roztwory – kluczem elektrolitycznym, który umożliwia przepływ niewielkiej liczby jonów, wyrównujący bilans ładunku. Zamknięcie obwodu np. amperomierzem lub woltomierzem spowoduje, że ich wskazówka wychyli się, co wskazuje, że w układzie płynie prąd. Źródłem prądu...