Δυναμικά στην διεπιφάνεια ηλεκτροδίου Ηλεκτρική διπλοστοιβάδα Ηλεκτρόδια-Οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις Ηλεκτροχημικά στοιχεία

Transcript

1 Δυναμικά στην διεπιφάνεια ηλεκτροδίου Ηλεκτρική διπλοστοιβάδα Ηλεκτρόδια-Οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις Ηλεκτροχημικά στοιχεία

2 Δυναμικά στην διεπιφάνεια ηλεκτροδίου/διαλύματος Το δυναμικό Volta ( ) ή εξωτερικό δυναμικό είναι το μέρος της συνολικής διαφοράς δυναμικού σε όλη την διεπιφάνεια μετάλλουηλεκτρολύτη Ορίζεται ως το έργο που απαιτείται για να φέρουμε ένα σημειακό μοναδιαίο φορτίο από το άπειρο σε ένα σημείο λίγο έξω από την επιφάνεια του ηλεκτροδίου σε μια απόσταση περίπου m Το εξωτερικό δυναμικό είναι μια μετρήσιμη ποσότητα

3 To δυναμικό Galvani και το επιφανειακό δυναμικό χ W= W1 + W2 = + χ χ

4 Ηλεκτρική διπλοστοιβάδα Όταν μια επιφάνεια με ομοιόμορφη κατανομή πυκνότητας φορτίου βρεθεί σε επαφή με ηλεκτρολυτικό διάλυμα θα προκαλέσει μια συγκεκριμένη, μη τυχαία κατανομή των φορτίων του διαλύματος, σχηματίζοντας διπλοστιβάδα Η παρουσία φορτίου είναι υπεύθυνη για την δημιουργία ηλεκτροστατικού πεδίου στη φάση του διαλύματος

5 Ενεργειακά επίπεδα Fermi Τα ηλεκτρονιακά επίπεδα στα μέταλλα δεν είναι διακριτά όπως σε ένα άτομο ή μόριο Γειτονικά άτομα έχουν επικάλυψη τροχιακών σχηματίζοντας συνεχή ενεργειακά επίπεδα διαθέσιμα ηλεκτρόνια συμπληρώνουν αυτά τα επίπεδα, από τα κάτω προς τα πάνω Το επίπεδο Fermi (EF) αντιστοιχεί στην ενέργεια που βρίσκονται τα «top» ηλεκτρόνια Κάθε μέταλλο έχει το χαρακτηριστικό του E F

6 Γιατί τα ηλεκτρόνια μετακινούνται Η EF δεν είναι σταθερή και μπορεί να μεταβληθεί με την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας (δυναμικό) Η τιμή των EF για τα χαμηλότερα μη κατηλημμένα μοριακά τροχιακά (LUMO) και τα υψηλότερα κατηλημμένα μοριακά τροχιακά( HOMO) στα αντιδρώντα, μπορεί να μας πει αν τα ηλεκτρόνια θα μεταφερθούν από το ηλεκτρόδιο προς την αντιδρώσα ουσία ή το αντίστροφο

7 Οι αντιδράσεις στα ηλεκτρόδια είναι οξειδοαναγωγικές Οξείδωση είναι η αφαίρεση ηλεκτρονίων από ένα είδος Αναγωγή είναι η προσθήκη ηλεκτρονίων σε ένα είδος Κάθοδος το ηλεκτρόδιο που γίνεται η αναγωγή Άνοδος το ηλεκτρόδιο όπου λαμβάνει χώρα η οξείδωση Ημιαντίδραση αναγωγής αντίδραση στην οποία υπάρχει μια μεταφορά ηλεκτρονίων από το ένα είδος στο άλλο οξειδωτικό + ne αναγωγικό Η Ημιαντίδραση αναγωγής λαμβάνει χώρα σε ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο Ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια Ένα ηλεκτρόδιο είναι ένας μεταλλικός αγωγός, σε επαφή με έναν ηλεκτρολύτη (ιοντικός αγωγός)

8

9 Είδη ηλεκτροδίων

10

11 Ηλεκτροχημικά στοιχεία To Ηλεκτροχημικό στοιχείο μπορεί να είναι: -Γαλβανικό στοιχείο που παράγει ηλεκτρική ενέργεια, ως αποτέλεσμα της αυθόρμητης αντίδρασης που συμβαίνουν σε αυτό -Ηλεκτρολυτικό στοιχείο στο οποίο μία μη αυθόρμητη αντίδραση οδηγείται από μια εξωτερική πηγή ρεύματος Μια οξειδοαναγωγική αντίδραση εκφράζεται ως διαφορά δύο ημιαντιδράσεων αναγωγής, κάθε μία ορίζει ένα οξειδοαναγωγικό ζεύγος

12 Παράδειγμα αντιδράσεων που γίνονται στην άνοδο

13 Παράδειγμα αντιδράσεων που γίνονται στην κάθοδο

14 Ημιαντιδράσεις και Ηλεκτρόδια Οι διεργασίες αναγωγής και οξείδωσης υπεύθυνες για τη συνολική αντίδραση σε ένα στοιχείο λαμβάνουν χώρα σε διαφορετικά μέρη Η οξείδωση λαμβάνει χώρα στο ένα ηλεκτρόδιο και η αναγωγή λαμβάνει χώρα στο άλλο ηλεκτρόνια απελευθερώνονται στην οξείδωση Red1 OX1 + ne- στην άνοδο και μεταφέρονται μέσω του εξωτερικού κυκλώματος εκ νέου εισάγετε στο στοιχείο μέσω της καθόδου, όπου λαμβάνει χώρα η αναγωγή ΟΧ2 + ne- Red2

15 Το γαλβανικό απέναντι στο ηλεκτρολυτικό στοιχείο Στο γαλβανικό στοιχείο Η Κάθοδος έχει μεγαλύτερο δυναμικό και η άνοδος έχει μικρότερο δυναμικό Τι ισχύει στο ηλεκτρολυτικό στοιχείο;

16 Συμβολισμός Στοιχείου Τα όρια των φάσεων δηλώνονται με μία κάθετη γραμμή Pt(s) H2(g) HCl(aq) AgCl(s) Ag(s) Μία υγρή σύνδεση συμβολίζεται με Zn(s) ZnSO4(aq) CuSO4(aq) Cu(s)

17 Συμβολισμός Στοιχείου Μία διπλή κατακόρυφη γραμμή συμβολίζει διεπιφάνεια για την οποία θεωρείται ότι έχει εξουδετερωθεί το δυναμικό σύνδεσης Zn(s) ZnSO4(aq) CuSO4(aq) Cu(s)

18 Δυναμικό στοιχείου Το δυναμικό στοιχείου υπολογίζεται από τα δυναμικά της καθόδου και της ανόδου υποθέτοντας: - Η κάθοδος είναι το δεξιό ηλεκτρόδιο RHE και η αντίδραση που γίνεται σε αυτό είναι η αναγωγή -Η άνοδος είναι το αριστερό ηλεκτρόδιο LHE και η αντίδραση του είναι η οξείδωση Το δυναμικό του στοιχείου είναι η διαφορά μεταξύ των δυναμικών της καθόδου και της ανόδου δηλαδή

19 Πηλίκο αντίδρασης Q Είναι χρήσιμο να εκφράζουμε την σύσταση του διαμερίσματος συναρτήσει του πηλίκου της αντίδρασης Q Για την αντίδραση CCCC 2+ (aq)+ 2e Cu(s) (ηλεκτρόδιο μετάλλου/ιόντος μετάλλου ) Δ rr GG = Δ rr GG 0 + RRRRRRRR αα CCCC aa CCCC 2+ Η ενεργότητα του στερεού χαλκού είναι μονάδα έτσι Δ rr GG = Δ rr GG 0 + RRRRRRRR 1 aa CCCC 2+

20 Πηλίκο αντίδρασης Για την αντίδραση 2Η + aaaa + 2ee HH 2 (gg) (ηλεκτρόδιο αερίου)

21 Πηλίκο αντίδρασης Για την αντίδραση (Μέταλλο/αδιάλυτο άλας) Οι ενεργότητες των στερεών είναι μονάδα οπότε

22 Πηλίκο αντίδρασης Για την αντίδραση (Οξειδοαναγωγικό ηλεκτρόδιο)

23 Ολική αντίδραση στοιχείου Ένα στοιχείο στο οποίο η ολική αντίδραση δεν έχει φτάσει σε χημική ισορροπία μπορεί να εκτελέσει ηλεκτρικό έργο καθώς η αντίδραση ωθεί ηλεκτρόνια δια μέσου ενός εξωτερικού κυκλώματος. Το έργο εξαρτάται από την διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων