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