ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

Σημειώσεις για το μάθημα

Φυσική Χημεία ΙΙ

Ηλεκτροχημικά στοιχεία Ευκλείδου Τ. Παναγιώτου Σ. Γιαννακουδάκης Π. m

OFF

V/dc V/ac

Ω Ω A/ac A/dc

V/Ω +

A com +

I

e

e-

-

I

γέφυρα άλατος

+

Cu(s)

κίνηση κατιόντων

-

Zn(s)

κίνηση ανιόντων

2+

Cu

100 mL 100 mL

πρότυπο ηλεκτρόδιο Cu

2+

Zn

πρότυπο ηλεκτρόδιο Zn

Τμήμα Χημείας ΑΠΘ

Σημειώσεις για το μάθημα

Φυσική Χημεία ΙΙ

Ηλεκτροχημικά στοιχεία περιεχόμενα κατάλογος σχημάτων Ευκλείδου Τ. Παναγιώτου Σ. Γιαννακουδάκης Π.

- A +

γέφυρα άλατος

-

Eemf άνοδος

+ κάθοδος

Τμήμα Χημείας ΑΠΘ

Περιεχόµενα ---

Σχήµατα

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

1. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 [ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΑΛΥΤΙΚΗ ΤΑΣΗ]..................................................... 18 1.1

Ηλεκτροδιαλυτική τάση των µετάλλων .............................................................. 18

1.2

Η αποκατάσταση της ισορροπίας της ηµιαντίδρασης της ηλεκτροδιαλυτικής

τάσης…………………………………………………………………………………………20 1.3

Η ισορροπία ανάµεσα στην οξειδωµένη (Οx) και αναγµένη (Red) µορφή του

µετάλλου..................................................................................................................... 22 1.4

Ερµηνεία της ηλεκτροδιαλυτικής τάσης ............................................................ 23

1.5

Παράγοντες που επηρεάζουν την ηλεκτροδιαλθτική τάση................................ 24

2. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 [ΗΜΙΣΤΟΙΧΕΙΟ]............................................................................. 25 2.1

Το ηµιστοιχείο ................................................................................................... 25

2.2

Ο ρόλος του ηλεκτροδίου στο ηµιστοιχείο ........................................................ 26

2.3

Κατηγορίες ηµιστοιχείων................................................................................... 27

2.4

Δυναµικό ηµιστοιχείου ...................................................................................... 31

2.5

Παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται το δυναµικό του ηµιστοιχείου .......... 31

2.6

Εξάρτηση

της

διαφοράς

δυναµικού

από

τη

συγκέντρωση

του

κατιόντος……………………………………………………………………………………..32 2.7 Το δυναµικό

του ηµιστοιχείου και η σχέση του µε την ενεργότητα των

ηλεκτρονίων………………………………………………………………………………….34 2.8

Σύγκριση του δυναµικού των ηµιστοιχείων Zn και Cu ...................................... 36

2.9

Τρόπος γραφής της οξειδοαναγωγικής ηµιαντίδρασης στο ηµιστοιχείο ........... 38

3. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 [ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ] ................................................... 40 3.1

Βολτόµετρο ....................................................................................................... 40

1

Ευκλείδου Τ.– Παναγιώτου Σ. –Γιαννακουδάκης Π. ΔιΧηΝΕΤ -­‐ Εργαστήριο Φυσικοχημείας -­‐ Τμήμα Χημείας -­‐ ΑΠΘ

Περιεχόµενα ---

Σχήµατα

3.2

Μέτρηση του δυναµικού ενός ηµιστοιχείου ....................................................... 43

3.3

Κανονικό ή πρότυπο ηλεκτρόδιο υδρογόνου.................................................... 46

3.4

Το πρότυπο δυναµικό ενός ηµιστοιχείου .......................................................... 49

3.5

Μέτρηση του πρότυπου δυναµικού ηµιστοιχείου.............................................. 50

3.6

Ερµηνεία του θετικού δυναµικού ενός ηµιστοιχείου .......................................... 55

3.7Πίνακας των κανονικών δυναµικών οξεοδοαναγωγής………………………………56

4. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 [ΕΞΙΣΩΣΗ NERNST] ..................................................................... 59 4.1

Εξίσωση Nernst ................................................................................................ 59

4.2

Εφαρµογή της εξίσωσης Nernst στον υπολογισµό του δυναµικού του

ηµιστοιχείου ................................................................................................................ 61 4.3

Επίδραση της συγκέντρωσης των κατιόντων Η+ στο δυναµικό του ηλεκτροδίου

του υδρογόνου ........................................................................................................... 63

5. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 [ΓΑΛΒΑΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ] ............................................................. 65 5.1

Γαλβανικά στοιχεία ........................................................................................... 65

5.2

Στοιχείο Daniell ................................................................................................. 67

5.3

Ηλεκτρεγερτική δύναµη γαλβανικού στοιχείου.................................................. 69

5.4

Η φορά του ρεύµατος και οι φορείς του ηλεκτρικού φορτίου στο γαλβανικό

στοιχείο ...................................................................................................................... 73 5.5

Η γέφυρα άλατος .............................................................................................. 77

5.6

Μεταβολή της µάζας των ηλεκτρονίων ............................................................. 79

5.7

Άνοδος και κάθοδος στο στοιχείο Daniell ......................................................... 81

5.8

Άνοδος και κάθοδος στα γαλβανικά στοιχεία.................................................... 82

5.9

Ο συµβολισµός του γαλβανικού στοιχείου και οι παρανοήσεις ........................ 84

5.10 Εύρεση ανόδου................................................................................................. 87 2

Ευκλείδου Τ.– Παναγιώτου Σ. –Γιαννακουδάκης Π. ΔιΧηΝΕΤ -­‐ Εργαστήριο Φυσικοχημείας -­‐ Τμήμα Χημείας -­‐ ΑΠΘ

Περιεχόµενα ---

Σχήµατα

5.11 Πότε σταµατάει η λειτουργία ενός γαλβανικού στοιχείου .................................. 89 5.12 Ηλεκτροχηµική σειρά µετάλλων ........................................................................ 90 5.13 Χρήση των πρότυπων δυναµικών στον έλεγχο πραγµατοποίησης µιας χηµικής αντίδρασης ................................................................................................................. 91 5.14 Εφαρµογές των γαλβανικών στοιχείων ............................................................ 95

6. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 [ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ] .................................................... 97 6.1

Ηλεκτρολυτικά στοιχεία ..................................................................................... 97

6.2

Μετατροπή ενός γαλβανικού στοιχείου σε ηλεκτρολυτικό στοιχείο................... 98

6.3

Εποπτικός τρόπος ερµηνείας της αλλαγής των δράσεων που συµβαίνουυν στα

δύο ηλεκτρόδια ......................................................................................................... 101 6.4

Σύγκριση γαλβανικού – ηλεκτρολυτικού στοιχείου ......................................... 104

6.5

Ηλεκτρόλυση .................................................................................................. 105

6.6

Η τεχνική της γαλβανοπλαστικής (επαργύρωση) ........................................... 106

3

Ευκλείδου Τ.– Παναγιώτου Σ. –Γιαννακουδάκης Π. ΔιΧηΝΕΤ -­‐ Εργαστήριο Φυσικοχημείας -­‐ Τμήμα Χημείας -­‐ ΑΠΘ

Περιεχόµενα ---

Σχήµατα

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήµα 1: Οξείδωση του µετάλλου και επιδιαλύτωση των ιόντων ................................ 18 Σχήµα 2: Οξείδωση των επιδιαλυτωµένων κατιόντων ................................................. 19 Σχήµα 3: Αναγωγή των επιδιαλυτωµένων κατιόντων Μ2+(aq) ..................................... 21 Σχήµα 4: Αναγωγή των επιδιαλυτωµένων κατιόντων Μ1+(aq) ..................................... 21 Σχήµα 5: Μετατροπή της οξειδωµένης (Οx) σε αναγµένη (Red) µορφή ...................... 26 Σχήµα 6: Μετατροπή της αναγµένης (Red) σε οξειδωµένη (Οx) µορφή ..................... 27 Σχήµα 7: Ηµιστοιχείο οξειδοαναγωγής ........................................................................ 29 Σχήµα 8: Σύγκριση δυναµικών Zn σε διαλύµατα µε διαφορετική συγκέντρωση .......... 32 Σχήµα 9: Σύγκριση του δυναµικού των ηµιστοιχείων Zn και Cu .................................. 37 Σχήµα 10: Σύνδεση βολτοµέτρου σε κύκλωµα ............................................................ 40 Σχήµα 11: Αναλογικό βολτόµετρο ................................................................................ 41 Σχήµα 12: Περιγραφή ψηφιακού βολτοµέτρου ............................................................ 42 Σχήµα

13: Μέτρηση διαφοράς δυναµικού µετάλλου ηλεκτρολυτικού

διαλύµατος .................................................................................................................... 44 Σχήµα 14: Μέτρηση του δυναµικού ηµιστοιχείου ......................................................... 45 Σχήµα 15: Κανονικό ή πρότυπο ηλεκτρόδιο υδρογόνου ............................................. 46 Σχήµα 16: Ιοντική ισορροπία στο ηλεκτρόδιο υδρογόνου............................................ 47 Σχήµα

17: Συνδεσµολογία για τη µέτρηση του πρότυπου δυναµικού του

ηµιστοιχείου Zn/Zn2+ ...................................................................................................... 50 Σχήµα 18: Αλλαγή πολικότητας στη µέτρηση του δυναµικού ...................................... 51 Σχήµα

19: Συνδεσµολογία για τη µέτρηση του πρότυπου δυναµικού του

ηµιστοιχείου Cu/Cu2+ .................................................................................................... 54 Σχήµα

20: Συνδεσµολογία µέτρησης του πρότυπου δυναµικού ενός

ηµιστοιχείου .................................................................................................................. 55 Σχήµα 21:Γαλβανικό στοιχείο αποτελούµενο από τα ηµιστοιχεία Α και Β ................... 65 4

Ευκλείδου Τ.– Παναγιώτου Σ. –Γιαννακουδάκης Π. ΔιΧηΝΕΤ -­‐ Εργαστήριο Φυσικοχημείας -­‐ Τμήμα Χημείας -­‐ ΑΠΘ

Περιεχόµενα ---

Σχήµατα

Σχήµα 22: Σχηµατική αναπαράσταση του γαλβανικού στοιχείου (µαύρο κουτί) .......... 66 Σχήµα 23:Το γαλβανικό στοιχείο Daniell ..................................................................... 67 Σχήµα 24: Υπολογισµός της τάσης στο στοιχείο Daniell ............................................. 70 Σχήµα 25: Υπολογισµός της τάσης (αντίθετη) στο στοιχείο Daniell ............................. 71 Σχήµα 26: Παραγωγή ρεύµατος στο στοιχείο Daniell .................................................. 74 Σχήµα 27: Κίνηση ηλεκτρονίων και παραγωγή ρεύµατος στο στοιχείο Daniell ........... 74 Σχήµα

28: Σχηµατική αναπαράσταση του ηλεκτρικού ρεύµατος και της

κίνησης των ιόντων σε γαλβανικό στοιχείο ................................................................... 77 Σχήµα 29: Μείωση της µάζας του ηλεκτροδίου του Zn µε ταυτόχρονη αύξηση της µάζας του ηλεκτροδίου του Cu ............................................................................... 80 Σχήµα 30: Το πολύµετρο χρησιµοποιείται ως βολτόµετρο ή ως αµπερόµετρο ........... 88 Σχήµα 31: Η πραγµατοποίηση της αντίδρασης οξείδωσης του Zn µέσα σε διάλυµα CuSO4 (πρώτο ποτήρι) και η µη πραγµατοποίηση της αντίδρασης οξείδωσης του Cu µέσα σε διάλυµα ZnSO4 (δεύτεροποτήρι)…………………………………………………..92 Σχήµα 32: Η πραγµατοποίηση της αντίδρασης οξείδωσης του Cu µέσα σε διάλυµα AgNO3 (πρώτο ποτήρι) και η µη πραγµατοποίηση της αντίδρασης οξείδωσης του Ag µέσα σε διάλυµα CuSO4 (δεύτερο ποτήρι) ................................................................... 93 Σχήµα 33: Ηλεκτρολυτικό στοιχείο ............................................................................... 97 Σχήµα 34: Σύνδεση εξωτερικής πηγής ανάστροφα ..................................................... 99 Σχήµα 35: Σύνδεση εξωτερικής πηγής ανάστροφα σε γαλβανικό στοιχείο ................. 99

5

Ευκλείδου Τ.– Παναγιώτου Σ. –Γιαννακουδάκης Π. ΔιΧηΝΕΤ -­‐ Εργαστήριο Φυσικοχημείας -­‐ Τμήμα Χημείας -­‐ ΑΠΘ