CHEMIA FIZYCZNA- Elektrochemia

Elektrochemia- zajmuje się współzależnością zjawisk elektrycznych i chemicznych, a zwłaszcza przemianą energii reakcji chemicznych w energię elektryczną i przemianę odwrotną, zajmuje się procesami przebiegającymi podczas pracy ogniw galwanicznych lub podczas elektrolizy

Przewodniki- ciała przewodzące prąd elektryczny

Izolatory- ciała nieprzewodzące pradu elektrycznego

Wzór Nernsta

Określa potencjał elektrody odpowiadający stanowi równowagi

E- potencjał elektrody R- stała gazowa (8,314 J/K*mol)

F- stała Farradaya (96500C) n-liczba wymienianych elektronów

T- temp. W K Cme- stężenie molowe jonów w metal

Eo- potencjał normalnej elektrody niesiony względem elektrody wodorowej omywanej wodorem pod ciśnieniem 1013hPa w temp 293K przy jednorodnych stęż. Reagentów

Siła elektromotoryczna ogniwa

Jest miara zdolności reakcji ogniwa do spowodowania przepływu elektronów przez obwód. SEM ogniwa definiuje się jako różnice potencjałów elektrody dodatniej (o wyższej wartości potencjału-katoda) i ujemnej (anoda) dla ogniwa otwartego, takiego, w którym obwód elektryczny nie jest zamknięty, a opór między biegunami ogniwa jest nieskończenie wielki

SEM= Katoda- E anoda= E

W zależności od tego, z jakich półogniw tworzymy ogniwo, ta sama elektroda może być anoda lub katodą.

Mg|Mg2+ Eo=-2,38V

Zn|Zn2+ Eo=-0,76V

Cu|Cu2+ Eo=+0,34V

W układzie

Mg|Mg2+ || Zn2+|Zn

Anoda Katoda- bo ma większe Eo SEM= -0,76-(-2,38)=1,62V

Zn|Zn2+ || Cu2+|Cu

Anoda Katoda SEM=0,34-(-0,76)=1,1V

Szereg napięciowy metali:

K, Na, Mg, Al., Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Au

Metale leżące z prawej strony od wodoru wypierają wszystkie metale z r. leżące przed nim

Metale leżące z lewej strony wodoru wypierają go z kwasów.

Reduktor:

Nie mogą być nim substancje na najwyższym stopniu utlenienia (Mn7+,N5+, C6+)

Utleniacz:

Nie mogą być nim subst. Na najniższym stopniu utlenienia.

Elektroda jonoselektywna

Elektrody, na których powstaje potencjał pod wpływem zetknięcia materiału elektrody z roztworem zawierającym oznaczone jony

Zalety: Wady:

- reagują na 1 rodzaj jonów -nie zawsze są jonoselekt. (Zakłócenia 103-105)

- szeroki zakres pomiarowy (do 10-6) - wskazania są proporc. do stęż. (niepew. 30%)

- szybki pomiar

-łatwość powtórzeń

Elektroda prętowa do pomiaru pH

- nakładka z tworzywa sztucznego

-dla różnego rodzaju mediów

- zakres pracy od 0…12 (14pH)

-wytrzymałość 10bar

Elektroliza

Proces wymuszony, polegający na przepływie ładunku elektrycznego przez elektrolit. Nośnikami ładunku elektrycznego mogą być jony dodatnie i ujemne. W czasie elektrolizy zawsze następuje rozkład zw. Chemicznego! Może zachodzić w wodnych roztworach elektrolitów lub w elektrolitach stopionych.

Katoda Płyta połączona z ujemnym biegunem źródła prądu (zachodzą na niej procesy redukcji)

Anoda Płytka połączona z dodatnim biegunem źródła prądu (zachodzą na niej procesy utleniania)

Napięcie rozkładowe

Różnica potencjałów, przyłożona z zew. Źródła przekraczająca określoną wartość. Wtedy wydzielane SA produkty elektrolizy

Elektroliza stopionego NaCl daje Na i Cl2

Katoda 2Na+ +2e = 2NA

Anoda 2ClCl2+2e

Elektroliza stężonego NaCl daje H2 i Cl2

Katoda 2Na++2e-> 2Na

Ale 2Na + 2H2O-> 2NaOH + H2

Anoda- 2Cl Cl2+2e

Elektroliza rozcieńczonego NaCl daje O2 i H

Katoda 2H20 +2e->H2+2Oh

2H++2e->H2

Anoda 4OH- - 4e-> 2H20+O2

2H2O->O2+4H++4e

Jeżeli roztwór poddawany jest elektrolizie zawiera kilka kationów i klika anionów, wówczas rozładowaniu ulegają:

Na katodzie- kation o najwyższym potencjale wydzielania

Na anodzie- anion o najniższym potencjale wydzielania

Produkty elektrolizy

Wodnych roztworów kwasów tlenowych oraz wodorotlenków jest O2 i H2. Dlatego, zę potencjały wydzielania większości metali z roztworów wodnych na elektrodach metalicznych są niższe od potencjału wydzielania wodoru, a potencjały wydzielania produktów rozładowywania anionów kwasów tlenowych SA najczęściej wyższe od potencjału rozładowania tlenu.

OH,I,Br,Cl,No5,So4,PO4

Wymieniona kolejność rozładowywania jonów może być zmieniona w zależności od stężenia jonów materiału elektrod.

I prawo Farradaya

Masa substancji (m) wydzielonej na elektrodzie podczas elektrolizy jest proporcjonalna do wielkości ładunku (Q), który przepłynął przez elektrolit.

M=K*Q=K*I*t

m- masa subst. Wydzielona na elektrodzie

K- równoważnik elektrochemiczny

Q- ładunek elektryczny

I- natężenie prądu

t- czas trwania procesu

K=M/n*F

M- masa atomowa substancji

n- stopień utlenienia

F- stała Farradaya (965000C) - ład. Wydziela 1 równoważnik dowolnego pierwiastka

II Prawo Farradaya

Jednakowe ładunki elektryczne wydzielają z różnych elektrolitów masy substancji proporcjonalne do równoważników elektrochemicznego.

M2/m2=k2/k1

Przemysłowe zastosowanie elektrolizy:

- Otrzymywanie pierwiastków:

• Na, Li, Mg - elektr. Stopionych chlorków

• Al.- elektroliza stopionego Al2O3

• Cl, F, I- elektroliza wodnych roztworów chlorków, litowców, berylowców

• Cu, Cr, Mn, Ag, Au - elektroliza wodnych roztworów soli

- Elektrochemiczna rafinacja metali

• Miedź, Ni, Co, Pb, Au, Ag

- Otrzymywanie powłok galwanicznych, ochronnych i ozdobnych (srebrzenie, złocenie)

KOROZJA

Proces stopniowego niszczenia zachodzący na powierzchni metali i innych stopów oraz tworzyw niemetalicznych (betonu, drewna, tworzyw sztucznych) wskutek chemicznego lub elektrochemicznego oddziaływania środowiska.

Czynniki przyspieszające korozję metali:

- obecność wody w otoczeniu

- obecność zanieczyszczeń w wodzie, w powietrzu otaczającym metal

- obecność spalin

- obecność grzybów lub bakterii glebie

Korozja chemiczna metalu

Zachodzącej reakcji nie towarzyszy przepływ ładunku elektrycznego przez metal lub elektrolit (np. reakcje metali z gazami zachodzące w podwyższonej temp. W kominach)

Korozja elektrochemiczna metalu

zachodzi w wyniku powstania i działania ogniw galwanicznych. Korozji elektrochemicznej towarzyszy przepływ elektronów przez granicę metal elektrolit.

W procesach korozji wyróżniamy następujące rodzaje ogniw:

- stykowe - na styku 2 metali katody Cu i anody Fe elektrolit

- ogniwo stężeniowe

- ogniwo temperaturowe- powstaje, gdy części wykonywane SA z tego samego materiału , pracują na różnych temperaturach (np. wymienniki ciepła)

Ochrona przed korozją:

- dobór odpowiednich materiałów (stale nierdzewne, kwasoodporne)

- stosowanie powłok ochronnych (or., ceramicznych, metalicznych, szkliwa, emalie) ( powłoki z metalem mniej szlachetnym od żelaza, zaczyna się rozwarstwiac i ulega rozpuszczeniu, z bardziej szlachetnego np. z srebra- szybciej korodują)

- stosowanie inhibitorów korozji

- ochrona elektrochemiczna (katodowa i anodowa)

Ochrona Katodowa

Elementy konstrukcji narażone na korozję łączy się z ujemnym biegunem źródła stałego o napięciu 1-2V. Dodatni biegun łączy się grafitową płytą przylegająca do konstrukcji. Doprowadzone ze źródła elektrony zobojętniają powstające jony i nie zachodzi proces Fe-2e=fe2+

Ochrona anodowa

Tworzymy sztuczne ogniwa, w których metal chroniony jest katodą (np. Fe) Rozpuszczeniu ulega anoda (Zn, Mg)

4

---