Name: battery power from redox reactions
Uploaded: 2020-03-26T07:22:26.000Z
Duration: 3 min 31 s
Channel: JoVE

Reakcja elektrochemiczna to proces, w którym elektrony są przenoszone między dwiema substancjami, z których jedna traci elektrony, a druga je zyskuje. Kiedy substancja traci elektrony, mówimy, że uległa utlenieniu lub że została utleniona. Kiedy zyskuje elektrony, mówimy, że uległ redukcji lub został zredukowany. Aby pomóc Ci je rozróżnić, pamiętaj o wyrażeniu "platforma wiertnicza", które oznacza utlenianie to tracenie, redukcja to zysk. Niektóre reakcje elektrochemiczne zachodzą spontanicznie, które możemy badać w ogniwie galwanicznym.
Ogniwo galwaniczne składa się z czterech głównych części. Po pierwsze, są to dwie metalowe elektrody, z których każda jest zanurzona w innym roztworze elektrolitu. Roztwory składają się z jonów potrzebnych do półreakcji, reakcji utleniania lub redukcji, które zachodzą na każdej elektrodzie. Roztwory są połączone mostkiem solnym, który umożliwia przepływ jonów i utrzymuje neutralność ładunku roztworów. Elektrody są połączone zewnętrznym obwodem, przez który przechodzą elektrony podczas reakcji.
Anoda to elektroda, która oddaje elektrony w reakcji lub ulega utlenieniu. Katoda to elektroda, która zyskuje elektrony i jest redukowana. Aby pomóc Ci rozróżnić te dwie etykiety, pamiętaj o wyrażeniu "czerwony kot", ponieważ redukcja zachodzi na katodzie.
Skąd więc wiemy, który metal działa jako anoda, a który jako katoda? Możemy użyć standardowego potencjału elektrody metalu, który jest miarą tendencji metalu do utraty elektronów. Bardziej ujemny potencjał elektrody oznacza, że metal ma większą tendencję do utraty elektronów. Elektrony zawsze przepływają z metalu o niższym potencjale standardowym do metalu o większym potencjale standardowym.
W ogniwie galwanicznym elektrony przepływają od anody do katody, więc anoda jest metalem o niższym potencjale standardowym, a katoda jest metalem o wyższym potencjale standardowym. Gdy elektrony przemieszczają się między dwiema elektrodami, mierzony jest potencjał elektryczny. Wielkość wytwarzanego napięcia jest równa potencjałowi standardowemu katody pomniejszonym o potencjał standardowy anody.
Tak więc, jeśli w ogniwie galwanicznym zostaną użyte dwa metale o podobnych standardowych potencjałach elektrodowych, takie jak na przykład ołów i cyna, wielkość wytwarzanego napięcia będzie niska. Jeśli metale mają różne potencjały standardowe, takie jak srebro i magnez, wytwarzane napięcie będzie wysokie.
W tym laboratorium skonstruujesz ogniwo galwaniczne przy użyciu dwóch metalowych elektrod i zmierzysz potencjał wytwarzany w wyniku zachodzących reakcji utleniania i redukcji. Następnie zidentyfikujesz nieznane elektrody metalowe przy użyciu znanych potencjałów standardowych i określisz wielkość wytwarzanego napięcia.

ogniwa galwaniczne

Galvanic Cells

elektrochemia
Elektrochemia to gałąź chemii, która bada związek między energią elektryczną a zmianą chemiczną. Te reakcje chemiczne obejmują ruch elektronów z jednego gatunku do drugiego. Ruch ten albo generuje prąd, albo jest napędzany przez przyłożony prąd.
Kluczową reakcją w elektrochemii jest reakcja utleniania-redukcji lub redoks. Reakcja redoks składa się z dwóch półreakcji; reakcja utleniania, w której substancja traci elektrony, oraz reakcja redukcji, w której substancja zyskuje elektrony. Ta reakcja chemiczna powoduje, że każda substancja zmienia swój stopień utlenienia.
Atom lub cząsteczka, która traci elektrony lub jest utleniona, jest środkiem redukującym. Atom lub cząsteczka, która przyjmuje elektrony lub jest redukowana, jest środkiem utleniającym. Jedną z metod zapamiętywania tych relacji jest wyrażenie "platforma wiertnicza", które oznacza "oxidation i s losing – reduction is gaining".
<h4>Ogniwa elektrochemiczne</h4>
Ogniwo elektrochemiczne to urządzenie, które wytwarza prąd elektryczny z energii uwolnionej w reakcji redoks. Ogniwo elektrochemiczne składa się z komory lub komór reakcyjnych oraz dwóch elektrod przewodzących: anody i katody. Anoda i katoda są połączone elektrycznie, a komora reakcyjna wypełniona jest elektrolitem. Pomiędzy dwiema komorami znajduje się mostek solny, który zamyka obwód i umożliwia przenoszenie jonów między elektrodami.
Redukcja zachodzi na katodzie, podczas gdy utlenianie zachodzi na anodzie. Można to łatwo zapamiętać za pomocą mnemonicznego "czerwony kot", co oznacza, że czerwonezapalenie występuje w kocimhode.
Istnieją dwa rodzaje ogniw elektrochemicznych. Jednym z nich jest ogniwo elektrolityczne, które wykorzystuje energię elektryczną do napędzania niespontanicznej reakcji. W tego typu ogniwach energia elektryczna jest dostarczana z zewnętrznego źródła zasilania. Drugim typem ogniw jest ogniwo galwaniczne, które wykorzystuje spontaniczną reakcję do wytwarzania energii elektrycznej. Przykładem ogniw galwanicznych są baterie.
<h4>Ogniwa galwaniczne</h4>
Ogniwa galwaniczne, znane również jako ogniwa galwaniczne, składają się z dwóch półogniw. Każde półogniwo zawiera metalową elektrodę zanurzoną w elektrolicie. Obwód zewnętrzny łączy dwie elektrody, a mostek solny łączy dwa roztwory elektrolitu. Elektrony przepływają z anody do katody. Półreakcja utleniania zachodzi na anodzie, natomiast półreakcja redukcyjna zachodzi na katodzie. Na przykład w ogniwie galwanicznym między miedzią a magnezem na katodzie zachodzi następująca połowa reakcji:
Cu2+ + 2e- → Cu
A następująca połowa reakcji zachodzi na anodzie:
Mg → Mg2+ + 2e-
Ponieważ elektrony są tracone podczas utleniania na anodzie, przemieszczają się przez obwód zewnętrzny, aby zredukować katodę, generując prąd.
W miarę utleniania anody wzrasta stężenie kationów w elektrolicie. Podobnie, gdy katoda jest zmniejszana, stężenie anionów w elektrolicie wzrasta. Aby utrzymać neutralność elektryczną, jony przemieszczają się przez most solny. Kiedy kationy są tworzone na anodzie, aniony przemieszczają się z roztworu po stronie anody za pomocą mostka solnego. Po stronie katody powstają aniony, które skłaniają kationy do przemieszczania się z mostka solnego do roztworu po stronie katody. Należy pamiętać, że elektrony przemieszczają się przez przewody obwodu zewnętrznego, a jony przepływają przez mostek solny i roztwory.
<h4>Potencjał redukcyjny</h4>
Niektóre metale mają większą tendencję do utraty elektronów niż inne. Dlatego wielkość prądu elektrycznego wytwarzanego przez ogniwo galwaniczne zależy od rodzaju elektrod metalowych. Standardowy potencjał elektrody (Eo) substancji jest miarą tendencji substancji do utraty elektronów. Jeśli użyjesz dwóch metali o prawie równych potencjałach elektrod, wielkość wytwarzanego prądu będzie niewielka. Jeśli zostaną użyte dwa metale o bardzo różnych potencjałach elektrod, wielkość prądu będzie duża. Im większy potencjał redukcyjny, tym większe prawdopodobieństwo, że metal zostanie zredukowany i będzie działał jako środek utleniający.
Wracając do miedziano-magnezowego ogniwa galwanicznego, standardowy potencjał elektrody miedzi wynosi 0,337 wolta, podczas gdy standardowy potencjał elektrody magnezu wynosi -2,370 wolta. W tym przykładzie miedź jest katodą, a magnez anodą.
Podczas wykonywania eksperymentu z ogniwem galwanicznym różnica potencjałów między dwiema elektrodami jest monitorowana za pomocą multimetru. Zmierzone napięcie jest równe różnicy potencjałów między dwiema połowicznymi reakcjami.
ΔEº =katoda Eº -anoda Eº
Standardowy potencjał elektrody zakłada, że oba półogniwa znajdują się w standardowych warunkach 1 M, 1 bar i 298,15 K (25 °C). Napięcie zależy od stężenia roztworów elektrolitu, które można określić za pomocą równania Nernsta.
<img src="/CDNSource/lm/labs/52/52_Concepts_4.jpg">
Tutaj E odpowiada różnicy potencjałów lub zmierzonemu napięciu, Eo jest standardowym potencjałem redukcyjnym, R jest uniwersalną stałą gazową (8,314462618 J/mol·K), T jest zmierzoną temperaturą w kelwinach, F jest stałą Faradaya (96 485,33212 C⋅mol-1), n jest liczbą elektronów przenoszonych w reakcji, a Qh jest ilorazem reakcji. Iloraz reakcji jest elektrochemicznym odpowiednikiem stałej równowagi.
<h4>Odwołania</h4>
<ol>
	<li style="font-size:17px">Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chemia i reaktywność chemiczna. Belmont, Kalifornia: Brooks/Cole, Cengage Learning.</li>
	<li style="font-size:17px">Silderberg, M.S. (2009). Chemia: molekularna natura materii i zmiana. Boston, Massachusetts: McGraw Hill.</li>
	<li style="font-size:17px">Harris, D.C. (2015). Ilościowa analiza chemiczna. Szósta edycja. Nowy Jork, NY: W.H. Freeman and Company.</li>
</ol>

Ogniwa galwaniczne

Elektrochemia
Elektrochemia to gałąź chemii, która bada związek między energią elektryczną a zmianą chemiczną. Te chemiczne ...

Education

JoVE Lab Manual

Chemistry

Chemia

battery power from redox reactions

Electrochemistry studies how chemical change and electrical energy are linked. In this branch of chemistry, electrons move from one species to another. That movement can either produce current or be driven by an applied current. The main reaction in electrochemistry is the oxidation-reduction, or redox, reaction. A redox reaction has two half-reactions. Oxidation is the loss of electrons, and reduction is the gain of electrons. These changes also shift the oxidation state of each substance. The species that loses electrons is the reducing agent, and the species that gains electrons is the oxidizing agent. A common memory aid is “oil-rig,” which means oxidation is losing and reduction is gaining.

An electrochemical cell is a device that turns the energy from a redox reaction into electric current. It includes reaction chamber or chambers and two conductive electrodes, an anode and a cathode. The electrodes are connected electrically, and the chamber contains an electrolyte. A salt bridge sits between the two chambers. It completes the circuit and lets ions move between the electrodes. Reduction occurs at the cathode, and oxidation occurs at the anode. Students often remember this with “red cat,” which means reduction occurs at the cathode. The two main kinds of electrochemical cells are electrolytic cells and galvanic cells. An electrolytic cell uses external electrical energy to drive a nonspontaneous reaction. A galvanic cell uses a spontaneous reaction to generate electrical energy. Batteries are examples of galvanic cells.

Galvanic cells, also called voltaic cells, have two half-cells. Each half-cell contains a metal electrode immersed in an electrolyte. An external circuit connects the electrodes, and a salt bridge connects the two electrolyte solutions. Electrons flow from the anode to the cathode. Oxidation happens at the anode, and reduction happens at the cathode. In a copper-magnesium galvanic cell, copper is reduced at the cathode through the half-reaction Cu2+ + 2e- → Cu. Magnesium is oxidized at the anode through the half-reaction Mg → Mg2+ + 2e-. As electrons move through the external circuit, they reduce the cathode and generate current. As the anode is oxidized, the concentration of cations increases in that electrolyte. As the cathode is reduced, the concentration of anions increases in that electrolyte.

The salt bridge keeps the cell electrically neutral. When cations are created at the anode, anions move from the anode side through the salt bridge. On the cathode side, anions are created, so cations move from the salt bridge into that solution. It is important to separate electron flow from ion flow. Electrons travel through the external wires. Ions move through the salt bridge and the solutions.

Some metals lose electrons more easily than others. For that reason, the current produced by a galvanic cell depends on the metals used for the electrodes. The standard electrode potential, E°, measures this tendency. If two metals have nearly equal electrode potentials, the current is small. If their electrode potentials are very different, the current is larger. A larger reduction potential means a metal is more likely to be reduced and act as the oxidizing agent. In the copper-magnesium cell, copper has a standard electrode potential of 0.337 volts, and magnesium has a standard electrode potential of -2.370 volts. That is why copper is the cathode and magnesium is the anode.

In a galvanic cell experiment, a multimeter is used to measure the potential difference between the two electrodes. The measured voltage equals the difference between the two half-reactions, written as ΔE° = E° cathode - E° anode. Standard electrode potential assumes standard conditions of 1 M, 1 bar, and 298.15 K, or 25 °C. The voltage also depends on electrolyte concentration. That dependence can be found with the Nernst equation. In the equation, E is the measured potential difference, E° is the standard reduction potential, R is the universal gas constant, T is temperature in Kelvin, F is Faraday’s constant, n is the number of electrons transferred, and Qh is the reaction quotient. The reaction quotient is the electrochemical equivalent of the equilibrium constant.

Battery Power from Redox Reactions

lab techniques

Techniki laboratoryjne

Measurement Accuracy
The ability to repeat an experiment and get the same results, or reproducibility, is essential in scientific research. However, ...

scientific measurement and lab skills

Pomiary naukowe i umiejętności laboratoryjne

Two-Dimensional Graphs
Some chemistry experiments take the form of directly changing one property of the system that you are studying otherwise known as ...

stoichiometry, product yield, and limiting reactants

stoichiometry-product-yield-and-limiting-reactants

Stechiometria, wydajność produktu i reagenty ograniczające

Chemical equations represent how a chemical reaction proceeds from reactants to products through physical or chemical change using chemical formulas.
...

redox reactions

Reakcje redoks

Oxidation and Reduction
Some chemical reactions can be classified as reduction-oxidation reactions, or redox reactions. Oxidation is the process of ...

ideal gas law

Prawo gazu doskonałego

Derivation of the Ideal Gas Law
Gases are a fundamental state of matter. A gas is a collection of molecules that have a significant distance between their ...

acid and base concentrations

Stężenia kwasów i zasad

Acids and Bases
An Arrhenius acid produces hydrogen ions when it is dissolved in water:
HA + H2O &#8594; H+(aq) + A-(aq)
Here, HA is the non-dissociated ...

buffers

Bufory

Buffers
When an Arrhenius acid (HA) is added to water, it dissociates into its conjugate base (A-) and a hydrogen cation (H+).
HA + H2O &#8594; H+(aq) + ...

enthalpy of reaction

Entalpia reakcji

Enthalpy of Reaction
Thermodynamics is the study of heat energy and other types of energy, such as work. The laws of thermodynamics are used across all ...

solubility

Rozpuszczalność

Solubility
Solubility describes how much of a solute can dissolve in a given volume of a specific solvent. Solubility is usually reported in terms of ...

metal flame emission

Emisja płomienia metalu

Metal Flame Emission
Flame testing is an analytical technique where a sample is placed in a flame, and the characteristic flame color is used to identify ...

balmer series

Seria Balmer

The Bohr Model
Niels Bohr proposed a model for the hydrogen atom in 1913 that described discrete energy states are associated with a fixed electron orbit ...

beer's law

Prawo piwa

Absorbance and Fluorescence
When light hits a substance, it is either absorbed, transmitted, or reflected. Typically, a substance interacts with a range ...

concentration dependence

Zależność od koncentracji

Chemical Kinetics and the Reaction Rate Law
Chemical kinetics refers to the rate or speed of a chemical reaction. The rate depends on the mechanism, ...

temperature dependence

Zależność od temperatury

Chemical Kinetics 
The reaction rate is the speed at which a chemical reaction occurs. The reaction rate is defined as the change in concentration of a ...

galvanic cells

Electrochemistry
Electrochemistry is a branch of chemistry that studies the relationship between electrical energy and a chemical change. These chemical ...

electrolytic cells

Ogniwa elektrolityczne

Electrochemistry
Electrochemistry is a branch of chemistry that describes and measures the relationship between electrical energy and a chemical change. ...

proper lab notebook keeping

Prawidłowe prowadzenie notatnika laboratoryjnego

Organic Lab Notebook Keeping
Record keeping is a vital skill in science and organic chemistry labs. Without proper notes, descriptions, quantities, or ...

basic organic chemistry techniques

Podstawowe techniki chemii organicznej

Glassware in Organic Chemistry
There are standard pieces of glassware that are used in the organic chemistry lab. Beakers and Erlenmeyer flasks are ...

melting points

Temperatury topnienia

Melting Points in Organic Chemistry
The melting point of a compound is the temperature at which the solid phase transitions into the liquid phase at a ...

boiling points

Temperatury wrzenia

Boiling Point Determination
Similar to the melting point, the boiling point is a physical property. If the sample is a pure compound, then the boiling ...

recrystallization

Rekrystalizacja

Recrystallization
Often, the desired product of a chemical reaction is part of a more complex reaction mixture, which can be composed of the solvent, ...

extraction

Wydobywanie

Extraction
Extraction is a common technique used in organic chemistry to isolate a target compound. In the extraction process, a solute is transferred ...

simple distillation

Prosta destylacja

Distillation of a Miscible Mixture
Some liquids will evaporate entirely over time if left in an open container at room temperature. However, this ...

steam distillation

Destylacja z parą wodną

Steam Distillation 
Steam distillation is a separation technique that harnesses the low boiling point property of immiscible mixtures. It is predominately ...

thin-layer chromatography

Chromatografia cienkowarstwowa

Chromatography
Chromatography is a technique used in organic chemistry to separate compounds in a mixture based on their differences in solubility between ...

column chromatography

Chromatografia kolumnowa

Column Chromatography
Multiple techniques exist to purify and separate compounds in an organic chemistry laboratory. One of the most reliable separation ...

hydrolysis of an ester

Hydroliza estru

Triglycerides
Triglycerides are triester molecules composed of a glycerol backbone that is bound to 3 fatty acids. These form the basis of many biological ...

synthesis of luminol

Synteza luminolu

Chemical reactions can be classified as endothermic or exothermic depending on whether the reactions absorb or release heat when they change to products. ...

esterification

Estryfikacji

Esters
The structure of an ester is a carbonyl with an alkyl or aryl group (R) on one side, and an oxygen bound to another alkyl or aryl group (R&#8217;) ...

identification of unknown aldehydes and ketones

identification-of-unknown-aldehydes-and-ketones

Identyfikacja nieznanych aldehydów i ketonów

Aldehydes and Ketones
Aldehydes and ketones have a carbonyl group (C=O) as a functional group. A ketone has two alkyl or aryl groups attached to the ...

uv-vis spectroscopy of dyes

Spektroskopia UV-VIS barwników

Absorbance
When light interacts with a substance, a portion of the light is absorbed while the rest is either reflected or transmitted through it. ...

identifying alcohols

Identyfikacja alkoholi

Alcohols
Alcohols are organic compounds that are amongst the most recognizable and familiar, as they have wide-ranging applications and uses in everyday ...

chemistry

Comprehensive, curriculum-focused videos for both instructors and students in introductory chemistry lab courses.

https://cloudfront.jove.com/files/banners/scicat/labbio.jpg

Learn how galvanic cells use redox reactions, salt bridges, and electrode potentials to generate current and measure voltage in batteries.

Battery Power from Redox Reactions | JoVE K12

Przygotuj się do nauczania Ogniwa galwaniczne dzięki temu 6-minutowemu przewodnikowi dla instruktorów. Obejmuje kluczowe kroki przygotowawcze dla laboratorium Chemistry na JoVE Lab Manual.

Przygotowanie instruktora do Ogniwa galwaniczne w Chemistry - Ponad 3.9K wyświetleń | JoVE Lab Manual

Postępuj zgodnie z procedurami Ogniwa galwaniczne krok po kroku w tym 14-minutowym filmie z protokołem studenckim. Część kolekcji Chemistry na JoVE Lab Manual.

Protokół studencki dla Ogniwa galwaniczne w Chemistry - Ponad 26K wyświetleń | JoVE Lab Manual

Battery Power from Redox Reactions

Description

Transcript

Tags