1

ELEKTROCHÉMIA

2

Čím sa zaoberá?

• Premenou elektrickej energie na chemickú

• Premenou chemickej energie na elektrickú

3

Prenos elektrónov

Prenos elektrónov

•

Reakcie prenosu elektrónov sú

Reakcie prenosu elektrón

oxidačno-

č

redukčné alebo redox reakcie

redukčné alebo redo

.

•

Dochádza k vzniku elektrického prúdu-

Dochádza k vzniku elektrického prúdu

(galvanické články )

(galva

•

Prebiehajú reakcie pri pôsobení elektrického

Prebiehajú reakcie pri pôsobení elektrického

prúdu (elektrolytické články)

prúdu (elektrolytické člán

4

Terminológia pre reakcie

Redox

Terminológia pre reakcie

Redox

• OXIDÁCIA

Á

—strata elektrónov, zvýšenie

strata elektrónov, zvýšen

oxidačného čísla

oxidačného

.

• REDU

RED KCIA

K

— prijímanie elektrónov, zníženie

prijímanie elektrónov, znížen

oxidačného čísla.

oxidačného čísla

• OXIDAČNÉ ČINIDLO

AČNÉ ČIN

— elektrónový akceptor

elektrónový akcep

.

• REDU

RED KČNÉ ČINIDLO

KČNÉ ČIN

—ele

—

ktrónový donor

ónový dono .

• OXIDÁCIA

Á

—strata elektrónov, zvýšenie

strata elektrónov, zvýšen

oxidačného čísla

oxidačného

.

• REDU

RED KCIA

K

— prijímanie elektrónov, zníženie

prijímanie elektrónov, znížen

oxidačného čísla.

oxidačného čísla

• OXIDAČNÉ ČINIDLO

AČNÉ ČIN

— elektrónový akceptor

elektrónový akcep

.

• REDU

RED KČNÉ ČINIDLO

KČNÉ ČIN

—ele

—

ktrónový donor

ónový dono .

5

OXIDAČO-REDUKČNÉ

REAKCIE

OXIDAČO-REDUKČN

REAKCIE

REDOX Reakcie

Oxidačné a redukčné činidlo sú v priamom

ačné a redukčné činidlo

kontakte

kontak .

Cu(s) + 2 Ag

Cu(s) +

+

---> Cu2+ + 2 Ag(s)

+ 2 Ag

Pokovovanie
predmetov

Pokovovanie
predmetov

6

OXIDAČNO-REDUKČNÉ

REAKCIE

OXIDAČNO-REDUKČNÉ

REAKCIE

Nepriame REDOX reakcie

Nepriame REDOX

Batéria pracuje tak, že prenáša elektróny z

Batéria pracuje tak, že prenáša el

vonkajšieho drôtu z redukčného činidla

vonkajšieho drôtu z redukčného čini

na oxidačné činidlo.

na oxidačné čin

7

Prečo je treba poznať

elektrochémiu?

Prečo je treba poznať

elektrochémiu?

• Batérie
• Korózia
• Priemyselná výroba

Al, Cl

2, NaOH, F

, NaO

2

• Priemyselná

elektrolytická

rafinácia Cu, Ni, Au

8

Elektrochemický článok

Elektrochemický článok

• Zariadenie, v ktorom

Zariadenie, v ktorom

prebieha redox reakcia

prebieha redox re

.

• ---> galvanic

galvan ký článok

ký člán

• ----> ele

-

ktrický prúd vzniká

ký prúd vz

• ---> elektrolytic

trolyt ký článok

ký člán

• ---> elektrický prúd vyvoláva

ký prúd vyvoláva

chemickú zmenu

chemickú zmen .

Batérie sú
galvanické články

9

Anóda

Katóda

Ka

Základná koncepcia

Základná koncepc

elektrochemických článkov

elektrochemických č

Zn

Zn 2+ ióny

Cu

Cu 2+ ióny

Kovový vodič

soľný

mostik

e lek t ró ny

10

CHEMICKÁ ZMENA--->

ELECTRICKÝ PRÚD

CHEMICKÁ ZMENA--->

ELECTRICKÝ PRÚD

Cu sa postupne vylučuje
na zinkovom plechu a
zinok sa rozpúšťa.

Cu sa postupne vylučuje
na zinkovom plechu a
zinok sa rozpúšťa.

• Zn sa oxiduje

sa oxid

Zn(s) ---> Zn

Zn(s) ---> Z 2+ + 2e-

+ 2

• Cu2+ sa redukuje

sa reduku

Cu2+ + 2e- ---> Cu(s)

+ 2e- ---> C

Zn

Cu2+ ióny

11

• Aby sme získali prúd

Aby sme získali prú

oddelíme oxidáciu od

oddelíme oxidáciu o

redukcie do osobitných

redukcie do osobitnýc

polčlánkov.

polčlánko

• Elektróny putujú po

lektróny putujú po

vonkajšom kovovom

vonkajšom kovovom

vodiči.

vod

CHEMICKÁ ZMENA--->

ELEKTRICKÝ PRÚD

CHEMICKÁ ZMENA--->

ELEKTRICKÝ PRÚD

Takéto zoskupenie sa volá galvanický článok,

Takéto zoskupenie sa volá galvanický článo

alebo batéria.

alebo batéria

Zn

Zn2+ ióny

Cu

Cu2+ ióny

drôt

soľný

môstik

elek tróny

n

Danielov článok

Danielov člán

Danielov článok

Danielov člán

12

Danielov galvanický článok

Z n

Z n2+

(ano d e )

p

o

ro

us

p

la

te

C u2+

Z n2+

C u2+ C u
(c atho d e )

e -

1 .1 0 V

Katóda

Katóda

Anóda

Anóda

13

•Elektróny sa pohybujú po vonkajšom drôte.

ktróny sa pohybujú po vonkajšom

• Soľný môstik

Soľný môstik a zabezpečuje pohyb iónov

zabezpečuje pohyb

medzi polčlánkami

medzi polčlánkam .

•Elektróny sa pohybujú po vonkajšom drôte.

ktróny sa pohybujú po vonkajšom

• Soľný môstik

Soľný môstik a zabezpečuje pohyb iónov

zabezpečuje pohyb

medzi polčlánkami

medzi polčlánkam .

Zn --> Zn

Zn -->

2+

+ 2e-

Cu2+ + 2e- --> Cu

+ 2e- -->

<--Anions

<--Ani

Cations-->

Oxidácia
Anóda
Záporná

Záporn

Oxidácia
Anóda
Záporná

Záporn

Redukcia
Katóda
Kladná

Redukcia
Katóda
Kladná

Zn

Zn2+ ióny

Cu

Cu2+ ióny

drôt

soľný

môstik

elektróny

n

14

Electrochémia korózie

V katódickej oblasti prebieha reakcia:

O

2 + H2O + 4e

-

 4OH-

Ďalej dochádza k reakcii s kyslíkom:

2Fe2+ + O

2 + 2OH

-

 Fe

2O3(S) + H2O

Produkt korózie je HRDZA

Tak dochádza k vzniku „ HRDZE“ a objaví sa diera.

15

Potenciál článku

Potenciál člá

, E

• Pre galvanický článok

Pre galvanický člán

Zn/Cu ,

Zn/C

je poten

p

ciál

+1.10 V

+1.10 pri 25 ˚C

25 ˚ ak [Zn2+] a [Cu

] a [

2+

] = 1.0 M.

] = 1.0

• To

ŠTANDARDNÝ POTENCIÁL

ČLÁNKU, Eo

Zn

Zn2+ ióny

Cu

Cu2+ ióny

drôt

salt

bridge

electróny

on

16

Výpočet potenciálu článku

Výpočet potenciálu člán

• Polčlánkové redox reakcie sa spočítajú

Polčlánkové redox reakcie sa spočíta

a dostaneme celkovú reakciu

a dostaneme celkovú re

Zn(s) ---> Zn

Zn(s) ---> Z 2+ + 2e-

+ 2

Cu2+ + 2e- ---> Cu(s)

+ 2e- ---> C

--------------------------------------------

----------------------------------------

Cu2+ + Zn(s) ---> Zn

+ Zn(s) ---> Z 2+ + Cu(s)

+ C

Zn(s) ---> Zn

Zn(s) ---> Z 2+ + 2e-

+ 2

Cu2+ + 2e- ---> Cu(s)

+ 2e- ---> C

--------------------------------------------

----------------------------------------

Cu2+ + Zn(s) ---> Zn

+ Zn(s) ---> Z 2+ + Cu(s)

+ C

Ak poznáme

Ak poznám Eo každej polčlánkovej

každej polčlánkov

reakcie môžeme vypočítať

reakcie môžeme vypočít

Eo pre celkovú

pre celkov

reakciu ( pre celý článok)

reakciu ( pre celý článok .

17

TABUĽKA ŠTANDARDNÝCH

REDUKČNÝCH POTENCIÁLOV

TAB

2

Eo (V)

Cu2+ + 2e- Cu

+0.34

2 H+ + 2e- H

0.00

Zn 2+ + 2e- Zn

-0.76

Oxidačná schopnosť
iónov

Redukčná
schopnosť prvku

Pri určení oxidácie z tabuľky

Pri určen

pre redukčné potenciály

pre redukčné pot

jednoducho zmeňte
znamienko!

18

ŠTANDARDNÁ VODÍKOVÁ ELEKTRÓDA

2H+

(aq)  H2(g)

Volts

(red) = 0 voltov

[H+] = 1 mol/l

P = 101 325 Pa,

T = 25oC

19

Zn/Cu Danielov článok

Zn(s) ---> Zn

Zn(s) --->

2+

+ 2e-

+

Eo = +0.76 V

= +

Cu2+ + 2e- ---> Cu(s)

+ 2e- --->

Eo = +0.34 V

= +

---------------------------------------------------------------

---------------------------------------------------------

Cu2+ + Zn(s) ---> Zn

+ Zn(s) --->

2+

+ Cu(s)

+

Eo = +1.10 V

=

Katóda

Ka

,

kladná

klad

Anóda,
záporná

zápo

,

zdroj
elektrónov

elektróno

Zn

Zn2+ ions

Cu

Cu2+ ions

wire

salt

bridge

electrons

Zn

Zn2+ ions

Cu

Cu2+ ions

wire

salt

bridge

electrons

+

20

Štandardný potenciál článku

21

Štandarndé redukčné potenciály pri 298 K

Štandarndé redukčné potenciály pri 29

Štandarndé redukčné potenciály pri 298 K

Štandarndé redukčné potenciály pri 29

Redukčná reakcia

Redukčná rea

Redukčná reakcia

Redukčná rea

Rastúca

Rastú

schopnosť

schopno

oxidačného

oxidačn

činidla

čin

Rastúca

Rastú

schopnosť

schopno

oxidačného

oxidačn

činidla

čin

22

Konvencia o znamienkach

• Galvanické články: E>O , ΔG<0
Proces je samovoľný

• Elektrolytické články : E<0, ΔG>0
• Proces je vynútený

ΔG = - z F E

= - z

z- počet elektrónov

z- počet elektró

F – Faradayova konštanta

F – Faradayova konštant

E- potenciál článku

E- potenciál článk

ΔG = - z F E

= - z

z- počet elektrónov

z- počet elektró

F – Faradayova konštanta

F – Faradayova konštant

E- potenciál článku

E- potenciál článk

23

Danielov článok

• ΔG = -zFE kde
• E je potenciál článku
• Z je počet elektrónov
• F je Faradayova konštanta (96 485 Coulombov)
• ΔGo = -zFEo

pre Danielov článok

Eo = 1.10 V
z = 2

ΔGo = -2x96 485 x1.10

= -212 kJ PROCES JE SAMOVOĽNÝ

24

Nernstova rovnica

Pamätáte si, že
ΔG = ΔGo + RTlnQ, preto,
-zFE = -zFEo + RTlnQ, alebo
zFE = zFEo – RTlnQ, alebo
E = Eo – (RT/zF)lnQ
Pri T=298 K je
E = Eo – (0.059/z)logQ
Toto je NERNSTOVA ROVNICA

25

Walther Herman Nernst

1864-1941

26

Diagramy článkov

• IUPAC - konvencia (International Union of Pure and

Applied Chemistry)

Zn(s) Zn2+(aq, 1M) Cu2+(aq, 1M) Cu(s) E = + 1.10V

ø

=

=

=

anóda

Soľný môstik

katóda

Pravidlá písania diagramu:
1.Fázové rozhranie sa zázorňuje plnou zvislou

čiarou

2.Označenie fázy a koncentrácie je v zátvorke
3.Anóda sa vždy píše na ľavú stranu
4.Látky s nižším oxidačným číslom sú vedľa

inertnej elektródy.

27

• Fe je lepšie redukčné

je lepšie redukčné

činidlo ako Cd

činidlo ako

• Cd2+ je lepšie oxidačné

je lepšie oxidačné

činidlo ako

činidlo ako Fe2+

Volts

Cd

Salt Bridge

Cd2+

Fe

Fe2+

Volts

Cd

Salt Bridge

Cd2+

Fe

Fe2+

Eo galvanického článku

galvanického člá

Celková reakcia

Celková re

Fe + Cd

Fe + C 2+ ---> Cd + Fe

---> C

2+

Eo = E˚

kat.

k

+ E˚

anod

ano

= (-0.40 V) + - (-0.44 V)

= (-0.40 V) + - (-0.44 V)

= +0.04 V

= +0.04

28

Elektrochémia korózie

Železo nie je homogénne. Obsahuje trochu

uhíka a iných kovov. V niektorých oblastiach sú

napätia. Niektoré z týchto oblastí sú anodické

( zdroj e- ), zatiaľčo iné sú katodické.
V anodickej oblasti sa za prítomnosti vody

železo oxiduje
Fe

(S)  Fe

2+

+ 2e-

Ióny Fe2+ migrujú vo vode do katodickej oblasti.

29

Elektrochémia korózie

V katódickej oblasti

prebieha reakcia:

O

2 + H2O + 4e

-

 4OH-

Ďalej dochádza k reakcii s

kyslíkom:

2Fe2+ + O

2 + 2OH

-

 Fe

2O3(S)

+ H

2O

Produkt korózie je HRDZA

Tak dochádza k vzniku

„ HRDZE“ a objaví sa

diera.

30

Elektrolýza

Používanie elektrického prúdu na vyvolanie chemickej

zmeny (nabíjanie batérie, alebo elektrolytická reakcia).

Poznámka: Chemická reakcia musí prebiehať. Preto je

použité napätie vždy vyššie ako rovnovážne.

31

Electrolýza

Pri riešení problémov elektrolýzy je treba

vypočítať:

1.

Prúd a dobu



2.

Náboj v coulomboch



3.

Látkové možstvo produktu



4.

Hmotnosť produktu

32

+

-

Elektrolytický článok

Definície….

+

-

Elektrolyt
Vodný roztok iónov
alebo ióny v
tavenine

Anión
Záporný ión

Katión
Kladný ión

Katóda
Záporná elektróda

Anóda
Kladná elektróda

33

Elektrolýza

Elektrolýza chloridu meďnatého (CuCl

2).

Chlorid meďnatý disociuje na Cu2+ a 2Cl- .

+

-

Cu2+

Cl-

Cl-

34

Elektrolýza

Na katóde…

-

Cu2+

35

Elektrolýza

Na katóde…

-

Cu2+

e-

e-

36

Elektrolýza

Na katóde …

-

Cu2+

e-

e-

37

Elektrolýza

Na katóde …

-

Cu2+

e-

e-

38

Elektrolýza

Na katóde …

-

Cu2+

e-

e-

39

Elektrolýza

Na katóde …

-

Cu

40

Elektrolýza

Na katóde…

-

Cu
Cu

41

Elektrolýza

Na katóde …

-

Cu
Cu
Cu

42

Elektrolýza

Na katóde…

-

43

Elektrolýza

Na anóde…

+

Cl-

Cl-

44

Elektrolýza

Na anóde…

+

Cl-

Cl-

45

Elektrolýza

Na anóde

+

Cl-

Cl-

46

Elektrolýza

Na anóde…

+

Cl

2

e-

e-

47

Elektrolýza

Na anóde…

+

Cl

2

e-

e-

48

Elektrolýza

Na aóde…

+

Cl

2

e-

e-

49

Elektrolýza

Na anóde…

+

Cl

2

50

Elektrolýza

Na anóde…

+

Cl

2

Cl

2

51

Electrolysis

At the Anode…

+

Cl

2

Cl

2

Cl

2

52

Elektrolýza

Na anóde…

+

53

Elektrolýza

Polčlánkové reakcie…

Na katóde…

Cu2+ + 2e-

 Cu

Na anóde…

2Cl- - 2e-

 Cl

2

54

Porovnanie galvanických a

elektrolytických článkov

Galvanický
článok

Galvanický
článok

Elektrolytický
článok

Elektrolytický
článok

55

Elektrolytická rafinácia medi

Elektrolyzér na rafináciu
medi

Elektrolyzér na rafináciu
medi

Znečiste
ná meď

Znečiste
ná meď

Rafinovaná
medená
katóda

Rafinovaná
medená
katóda

Elektrolyt

Elektrolyt

Nečistoty:
Ag,Au...

Nečistoty:
Ag,Au...

56

Elekrolytická rafinácia medi

Elektrolýza medi prebieha podľa schémy:
čistá Cu

(s)  Cu

2+

(aq) + 2e

-

(anóda)

Cu2+

(aq) + 2e

-

 Cu

(s) (99.99% čistá) (katóda)

Anódový kal (zvyšok) obsahuje Au, Ag Pt, atď.

57

Medené katódy v priemyselnom

elektrolyzéri

58

Elektrolýza vody

59

Pozlacovanie hliníkového drôtu

na výrobu rámu na okuliare

Anóda z
Au

Anóda z
Au

Katóda-
drôt,ktorý
sa
pozlacuje

Katóda-
drôt,ktorý
sa
pozlacuje

60

Elektrolýza oxidu hlinitého

Hall-Heroult Proces

• Zmes Al

2O3 a kryolitu (NaAlF6) sa roztaví a

elektrolyzuje v elektrolyzéroch obložených

grafitom (katóda).

• V tavenine sú ponorené grafitové bloky

( anóda).

• Pri reakcii vzniká na anóde CO

2 a na katóde sa

redukuje roztavený hliník.

• Reakcia: 2 Al

2O3 + 3C  4Al + 3CO2

61

Alkali

A

cká batéria

cká baté

Takmer rovnaké

Takmer rovn

reakcie ako v

reakc

suchom článku, ale

suchom článku, a

v zásaditých

podmienkach.

Anóda (-):

(

Zn + 2 OH

Zn + 2

-

---> ZnO + H

---> Zn

2O + 2e-

O + 2

Katóda

Ka

(+):

(+): 2 MnO

2 M

2 + H2O + 2e- --->

O + 2e- -

Mn

2O3 + 2 OH

+ 2

-

62

H2 ako palivo

Autá môžu používať elektrickú energiu, ktorá

Autá môžu používať elektrickú energiu, k

vzniká v palivovom článku

vzniká v palivovom článk H

2/O2 .

H

2 je v nádrži, alebo sa získava z

je v nádrži, alebo sa získava z

uhľovodíkov

uhľovodík

63

Otázky?