Ogniwa galwaniczne

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".

Ogniwa elektrochemiczne

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.

Ogniwa galwaniczne

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.

Potencjał redukcyjny

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.

Tutaj E odpowiada różnicy potencjałów lub zmierzonemu napięciu, E^o 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 Q_h jest ilorazem reakcji. Iloraz reakcji jest elektrochemicznym odpowiednikiem stałej równowagi.

Odwołania

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chemia i reaktywność chemiczna. Belmont, Kalifornia: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). Chemia: molekularna natura materii i zmiana. Boston, Massachusetts: McGraw Hill.
3. Harris, D.C. (2015). Ilościowa analiza chemiczna. Szósta edycja. Nowy Jork, NY: W.H. Freeman and Company.

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.