Χημεία (για Φυσικούς) 1 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗΣ, ΓΑΛΒΑΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ

Χημεία (για Φυσικούς) 1 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗΣ, ΓΑΛΒΑΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 24/11/2015

2 αντιδράσεις οξειδοαναγωγής οξείδωση και αναγωγή αριθμοί οξείδωσης οξειδωτικά και αναγωγικά μέσα ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής ισοστάθμιση αντιδράσεων οξειδοαναγωγής

3 αντιδράσεις οξειδοαναγωγής Ι. αντιδράσεις οξειδοαναγωγής Α. οξείδωση και αναγωγή 1. κάποιες αντιδράσεις περιλαμβάνουν μεταφορά ηλεκτρονίων από μια ουσία σε μια άλλη οι αντιδράσεις αυτές ονομάζονται οξειδοαναγωγής ή redox reactions

αντιδράσεις οξειδοαναγωγής με Ο 2 4 2. οι αντιδράσεις διαφόρων ουσιών με το Ο 2 είναι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής α. 4Fe(s) + 3O 2 (g) Fe 2 O 3 (s) οξείδωση του Fe β. 2C 8 H 18 (l) + 25O 2 (g) 16CO 2 (g) + 18H 2 O(g) καύση υδρογονανθράκων γ. 2Η 2 (g) + O 2 (g) H 2 O(g) καύση του Η 2

5 αντιδράσεις οξειδοαναγωγής σχηματισμού ιοντικών ενώσεων 3. επίσης, οι αντιδράσεις σχηματισμού ενώσεων από τα στοιχεία τους είναι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής π.χ. 2Na(s) + Cl 2 (l) 2NaCl(s)

6 οξείδωση και αναγωγή: αποβολή και πρόσληψη ηλεκτρονίων 4. στην αντίδραση 2Na(s) + Cl 2 (g) 2NaCl(s) ουδέτερα στοιχεία μετατρέπονται σε ιόντα 2 Na + Cl 2 2 Na + Cl το Na έχει φορτίο 1+ και το Cl έχει φορτίο 1-5. για να συμβεί αυτό, μια ουσία πρέπει να αποβάλλει ηλεκτρόνια και η άλλη να προσλάβει ηλεκτρόνια το Na αποβάλλει 1 ηλεκτρόνιο σχηματίζοντας Na + και λέγεται ότι οξειδώνεται 2Na 2Na + + 2e οξείδωση το Cl (αμέταλλο) προσλαμβάνει 1 ηλεκτρόνιο σχηματίζοντας Cl και λέγεται ότι ανάγεται Cl 2 + 2e 2Cl αναγωγή δηλαδή, η αντίδραση είναι ένα συνδυασμός οξείδωσης και αναγωγής 6. σε μια αντίδραση οξειδοαναγωγής, η οξείδωση και η αναγωγή συμβαίνουν ταυτόχρονα αν ένα άτομο αποβάλλει ηλεκτρόνια, κάποιο άλλο άτομο πρέπει να τα προσλαμβάνει

7 αντιδράσεις οξειδοαναγωγής σχηματισμού μοριακών ενώσεων 7. σε μια αντίδραση οξειδοαναγωγής δεν είναι απαραίτητο να συμβαίνει πλήρης μεταφορά ηλεκτρονίων και να σχηματίζονται ιόντα όπως στο NaCl 8. π.χ. η αντίδραση σύνθεσης του HCl από τα στοιχεία του Η 2 (s) + Cl 2 (g) 2HCl(g) είναι επίσης μια αντίδραση οξειδοαναγωγής i. το Η 2 δεν μεταφέρει πλήρως το ηλεκτρόνιό του στο Cl 2 για να σχηματίσει ιόντα ii. το HCl είναι μοριακή ένωση - το Cl έχει αποκτήσει μικρή περίσσεια ηλεκτρονικής πυκνότητας (δ-) έχει υποστεί αναγωγή - το Η έχει αποκτήσει μικρό έλλειμμα ηλεκτρονικής πυκνότητας (δ+) έχει υποστεί οξείδωση

8 αριθμοί οξείδωσης Β. αριθμοί οξείδωσης 1. ένας τρόπος για να παρακολουθούμε την αποβολή και πρόσληψη ηλεκτρονίων σε αντιδράσεις οξειδοαναγωγής είναι με τη χρήση των αριθμούς οξείδωσης (ΑΟ) των ατόμων των στοιχείων 2. ο ΑΟ ενός ατόμου ενός στοιχείου είναι το πλασματικό φορτίο που θα είχε ένα άτομο αν τα κοινά ηλεκτρόνια των δεσμών του αποδίδονταν στο άτομο που θα τα έλκει πιο ισχυρά (με τη μεγαλύτερη ηλεκτραρνητικότητα) ο ΑΟ του ατόμου ενός στοιχείου δεν είναι πραγματικό φορτίο μόνο τα φορτία των ιόντων είναι πραγματικά, μετρούμενα φορτία 3. π.χ. στο HCl αποδίδουμε τα 2 ηλεκτρόνια του δεσμού H Cl στο Cl κι έτσι: - ΑΟ(Cl) = -1 (δεν έχει φορτίο = 1-) είναι πιο ηλεκτραρνητικό από το Η και προσλαμβάνει ηλεκτρονική πυκνότητα - ΑΟ(Η) = +1 (δεν έχει πραγματικό φορτίο = 1+) είναι λιγότερο ηλεκτραρνητικό από το Cl και αποβάλλει ηλεκτρονική πυκνότητα

κανόνες προσδιορισμού αριθμών οξείδωσης 9 4. οι ΑΟ των ατόμων ή ιόντων των στοιχείων αποδίδονται σύμφωνα με κάποιους κανόνες προτεραιότητας που δίνονται παρακάτω: κανόνας 1 ο ΑΟ του ατόμου ενός ελεύθερου στοιχείου είναι 0 στο Cu(s) ΑΟ(Cu) = 0, στο Cl 2 (g) ΑΟ(Cl) = 0 κανόνας 2 ο ΑΟ ενός μονατομικού ιόντος είναι ίσος με το φορτίο του στο CaCl 2 ΑΟ(Ca 2+ ) = +2, στο NaCl AO(Cl ) = -1 κανόνας 3 το άθροισμα των ΑΟ όλων των ατόμων σε: - μια ουδέτερη ένωση είναι ίσο με 0 στο Η 2 Ο ΑΟ(Η) = +1 και ΑΟ(Ο) = -2, δηλαδή 2 (+1) + (-2) = 0 - ένα πολυατομικό ιόν είναι ίσο με το φορτίο του ιόντος στο NO 3 ΑΟ(Ν) = +5 και ΑΟ(O) = -2, δηλαδή (+5) + 3 (-2) = -1

κανόνες προσδιορισμού αριθμών οξείδωσης 10 κανόνας 4 το Η στις ενώσεις του έχει ΑΟ = +1 στην ΝΗ 3 ΑΟ(Η) = +1 εξαίρεση: το Η στις δυαδικές ενώσεις Η με μέταλλα π.χ. στο CaH 2 ΑΟ(Η) = -1 κανόνας 5 το Ο στις ενώσεις του έχει ΑΟ = -2 στο Η 2 Ο ΑΟ(Ο) = -2 εξαίρεση: το Ο στα υπεροξείδια π.χ. στο Η 2 Ο 2 (Η Ο Ο Η) ΑΟ(Ο) = -1

κανόνες προσδιορισμού αριθμών οξείδωσης 11 κανόνας 6 τα άτομα των στοιχείων της ομάδας 1 στις ενώσεις τους έχουν ΑΟ = +1 στο LiCl ΑΟ(Li) = +1 κανόνας 7 τα άτομα των στοιχείων της ομάδας 2 στις ενώσεις τους έχουν ΑΟ = +2 στο CaBr 2 ΑΟ(Ca) = +2 κανόνας 8 τα άτομα των στοιχείων της ομάδας 17 στις ενώσεις τους έχουν ΑΟ = -1 στο NaCl ΑΟ(Cl) = -1 εξαίρεση: για τις ενώσεις των αλογόνων με άλλα αλογόνα αποδίδουμε στο πιο ηλεκτραρνητικό αλογόνο ΑΟ = -1 στο ΙF 5 ΑΟ(F) = -1 και ΑΟ(Ι) = +5

Να βρεθούν οι ΑΟ των ατόμων των στοιχείων. 12 Cl 2 εφόσον το Cl 2 είναι ελεύθερο στοιχείο, οι ΑΟ των ατόμων Cl είναι 0 0 0 ClCl Na + εφόσον το Na + είναι μονατομικό ιόν, ο ΑΟ του Na+ είναι +1 +1 Na + KF CO 2 ο ΑΟ του Κ είναι +1 και ο ΑΟ του F είναι -1 (εφόσον το KF είναι ουδέτερη ένωση, το άθροισμα των ΑΟ των ατόμων είναι 0) ο ΑΟ του Ο είναι -2. Ο ΑΟ του C υπολογίζεται βάσει του κανόνα που λέει ότι σε μια ουδέτερη ένωση το άθροισμα των ΑΟ των ατόμων είναι 0 +1-1 KF AO(K) + AO(F) = = (+1)+(-1) = 0 AO(C) + 2AO(F) = 0 AO(C) + 2(-2) = 0 AO(C) = +4 +4-2 CO 2

Να βρεθούν οι ΑΟ των ατόμων των στοιχείων. 13 SO 4 2 K 2 O 2 ο ΑΟ του Ο είναι -2. Ο ΑΟ του C υπολογίζεται βάσει του κανόνα που λέει ότι σε ένα πολυατομικό ιόν το άθροισμα των ΑΟ των ατόμων είναι ίσο με το φορτίο του ιόντος ο ΑΟ του K είναι +1. Ο ΑΟ του O υπολογίζεται βάσει του κανόνα που λέει ότι σε μια ουδέτερη ένωση το άθροισμα των ΑΟ των ατόμων είναι 0 AO(S) + 4AO(O) = -2 AO(S) + 4(-2) = -2 AO(S) = +6 +6-2 SO 4 2 2AO(K) + 2 AO(O) = 0 2(+1) + 2AO(O) = 0 AO(O) = -1 +1-1 K 2 O 2

μη ακέραιοι αριθμοί οξείδωσης 14 4. υπάρχουν περιπτώσεις όπου ο ΑΟ ενός ατόμου σε μια ένωση είναι μη ακέραιος αριθμός π.χ. στο ΚΟ 2 ΑΟ(Κ) = +1 έτσι, AO(Κ) + 2AO(O) = 0 +1 + 2AO(Κ) = 0 AO(Κ) = -1/2 αυτό μπορεί να συμβαίνει αφού οι ΑΟ είναι απλά ένας τρόπος παρακολούθησης των ηλεκτρονίων και όχι μια φυσική ποσότητα

15 οξείδωση και αναγωγή με αριθμούς οξείδωσης Γ. οξείδωση-αναγωγή και οξειδωτικά-αναγωγικά μέσα 1. σε μια αντίδραση οξειδοαναγωγής, όταν ο ΑΟ ενός ατόμου ενός στοιχείου: α. αυξάνεται, συμβαίνει οξείδωση β. ελαττώνεται, συμβαίνει αναγωγή 2. π.χ. στην αντίδραση οξείδωση αναγωγή -4 +1 0 +4-2 +1-2 CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O ο C οξειδώνεται (ο ΑΟ του C αυξάνεται) το Ο ανάγεται (ο ΑΟ του O ελαττώνεται)

16 Χρησιμοποιώντας τους ΑΟ, να προσδιοριστεί το στοιχείο που οξειδώνεται και το στοιχείο που ανάγεται στη χημική αντίδραση Mg(s) + 2H 2 O(l) Mg(OH) 2 (aq) + H 2 (g) προσδιορίζουμε τους ΑΟ των ατόμων της αντίδρασης οξείδωση αναγωγή 0 +1-2 +2-2 +1 0 Mg(s) + 2 H 2 O(l) Mg(OH) 2 (aq) + H 2 (g) - ο ΑΟ του Mg αυξάνεται κι επομένως οξειδώνεται - ο ΑΟ του Η ελαττώνεται κι επομένως ανάγεται

οξειδωτικά και αναγωγικά μέσα 17 3. το αντιδρών που οξειδώνει ένα στοιχείο σε μια άλλη ένωση ονομάζεται οξειδωτικό μέσο περιέχει ένα στοιχείο που ανάγεται 4. το αντιδρών που ανάγει ένα στοιχείο σε μια άλλη ένωση ονομάζεται αναγωγικό μέσο περιέχει ένα στοιχείο που οξειδώνεται 5. π.χ. στην αντίδραση αναγωγή οξείδωση 0 0 +1-1 2 Na(s) + Cl 2 (g) 2 Na + Cl (s) το Na είναι το αναγωγικό μέσο το Cl 2 είναι το οξειδωτικό μέσο

Να προσδιοριστούν το οξειδωτικό και αναγωγικό μέσο στις ακόλουθες αντιδράσεις. 18 MnO 2 + 4HBr MnBr 2 + Br 2 + 2H 2 O - ο ΑΟ του Mn ελαττώνεται (ανάγεται) και το MnO 2 είναι το οξειδωτικό μέσο - ο ΑΟ του Br αυξάνεται (οξειδώνεται) και το HBr είναι το αναγωγικό μέσο αναγωγή 3H 2 S + 2NO 3 + 2H + 3S + 2NO + 4H 2 O οξείδωση +4-2 +1-1 +2-1 0 +1-2 MnO 2 + 4 HBr MnBr 2 + Br 2 + 2 H 2 O - ο ΑΟ του N ελαττώνεται (ανάγεται) και το NO - 3 είναι το οξειδωτικό μέσο αναγωγή - ο ΑΟ του S αυξάνεται οξείδωση (οξειδώνεται) και το H 2 S είναι το αναγωγικό μέσο +1-2 +5-2 +1 0 +2-2 +1-2 3 H 2 S + 2 NO 3 + 2 H + 3 S + 2 NO + 4 H 2 O

19 Να προσδιοριστεί αν οι παρακάτω αντιδράσεις είναι οξειδοαναγωγής ή όχι. Για κάθε οξειδοαναγωγική αντίδραση να αναγνωριστούν το οξειδωτικό και το αναγωγικό μέσο. 2Mg(s) + Ο 2 (g) 2MgO(s) - ο ΑΟ του Mg αυξάνεται και το Mg είναι αναγωγικό μέσο - ο ΑΟ του O ελαττώνεται και το Ο 2 είναι οξειδωτικό μέσο - είναι αντίδραση οξειδοαναγωγής οξείδωση αναγωγή 0 0 +2-2 2Mg(s) + O 2 (g) 2MgO(s) 2HBr(aq) + Ca(OH) 2 (aq) 2H 2 O(l) + CaBr 2 (aq) - οι ΑΟ των ατόμων δεν μεταβάλλονται - δεν είναι αντίδραση οξειδοαναγωγής +1-1 +2-2 +1 +1-2 +2-1 2HBr(aq) + Ca(OH) 2 (aq) 2H 2 O(l) + CaBr 2 (aq)

20 Να προσδιοριστεί αν οι παρακάτω αντιδράσεις είναι οξειδοαναγωγής ή όχι. Για κάθε οξειδοαναγωγική αντίδραση να αναγνωριστούν το οξειδωτικό και το αναγωγικό μέσο. Zn(s) + Fe 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Fe(s) - ο ΑΟ του Zn αυξάνεται και o Zn είναι αναγωγικό μέσο - ο ΑΟ του Fe 2+ ελαττώνεται και ο Fe 2+ είναι οξειδωτικό μέσο - επομένως είναι αντίδραση οξειδοαναγωγής οξείδωση αναγωγή 0 +2 +2 0 Zn(s) + Fe 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Fe(s)

συνήθη οξειδωτικά μέσα 21 6. συνήθη οξειδωτικά μέσα και τα προϊόντα που δίνουν μετά την αναγωγή τους είναι: οξειδωτικό μέσο O 2 H 2 O 2 F 2, Cl 2, Br 2, I 2 προϊόν που δίνουν μετά την αναγωγή τους O 2 H 2 O F, Cl, Br, I ClO 3 (BrO 3, IO 3 ) Cl, (Br, I ) H 2 SO 4 (πυκνό) SO 2 or S or H 2 S SO 2 3 S 2 O 2 3 (ή S ή H 2 S) HNO 3 (πυκνό) ή NO - 3 NO 2 ή NO ή N 2 O ή N 2 ή NH 3 MnO 4 (σε βάση) MnO 2 MnO 4 (σε οξύ) Mn 2+ CrO 2 4 (σε βάση) Cr(OH) 3 Cr 2 O 2 7 (σε οξύ) Cr 3+

συνήθη αναγωγικά μέσα 22 7. συνήθη αναγωγικά μέσα και τα προϊόντα που δίνουν μετά την οξείδωσή τους είναι: αναγωγικό μέσο προϊόν που δίνουν μετά την οξείδωσή τους H 2 H + H 2 O 2 O 2 I I 2 NH 3, N 2 H 4 N 2 S 2-, H 2 S SO 3 2 NO 2 S SO 4 2 NO 3 C (ως κάρβουνο) CO ή CO 2 Fe 2+ (σε οξύ) Fe 3+ Cr 2+ Cr 3+ Sn 2+ Sn 4+ μέταλλα ιόντα μετάλλων

ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής 23 Δ. ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής 1. στις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής είναι χρήσιμο να εξετάζουμε την οξείδωση και την αναγωγή ξεχωριστά 2. οι μεμονωμένες διαδικασίες οξείδωσης και αναγωγής ονομάζεται ημιαντιδράσεις 3. π.χ. στην αντίδραση οξειδοαναγωγής Zn(s) + 2Ag + (aq) Zn 2+ (aq) + 2Ag(s) α. η εξίσωση της ημιαντίδρασης οξείδωσης είναι Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e δείχνει την αποβολή ηλεκτρονίων από την ουσία που οξειδώνεται β. η εξίσωση της ημιαντίδρασης αναγωγής είναι Ag + (aq) + e Ag(s) δείχνει την πρόσληψη ηλεκτρονίων από την ουσία που ανάγεται

ζεύγος οξειδοαναγωγής 24 4. σε μια ημιαντίδραση, το ζεύγος της οξειδωμένης και ανηγμένης μορφής ενός χημικού είδους ονομάζεται οξειδοαναγωγικό ζεύγος ή redox couple 5. ένα οξειδοαναγωγικό ζεύγος αναγράφεται με τη μορφή π.χ. οξειδωμένη μορφή/ανηγμένη μορφή για την ημιαντίδραση οξείδωσης Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e είναι Zn 2+ /Zn για την ημιαντίδραση αναγωγής Ag + (aq) + e Ag(s) είναι Ag + /Ag

ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής 25 6. οι ημιαντιδράσεις - οξείδωσης Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e - αναγωγής Ag + (aq) + e Ag(s) α. είναι εννοιολογικές απεικονίσεις των διαδικασιών οξείδωσης και της αναγωγής β. στην πραγματικότητα, τα ηλεκτρόνια ποτέ δεν είναι ελεύθερα, αλλά είναι σε μια κατάσταση μεταφοράς από την ουσία που οξειδώνεται στην ουσία που ανάγεται γ. υπάρχει διαφορά μεταξύ μιας εννοιολογικής ημιαντίδρασης και μιας πραγματικής αντίδρασης ιοντισμού στην οποία ορίζεται η φυσική κατάσταση του ηλεκτρονίου π.χ. Na(g) Na + (g) +e (g)

οξείδωση και αναγωγή 26 7. οξείδωση συμβαίνει όταν: - ο ΑΟ ενός στοιχείου αυξάνεται - ένα στοιχείο αποβάλλει ηλεκτρόνια - μια ημιαντίδραση έχει ηλεκτρόνια ως προϊόντα - μια ένωση προσλαμβάνει Ο ή αποβάλλει Η παλαιότερος ορισμός της οξείδωσης 8. αναγωγή συμβαίνει όταν: - ο ΑΟ ενός στοιχείου ελαττώνεται - ένα στοιχείο προσλαμβάνει ηλεκτρόνια - μια ημιαντίδραση έχει ηλεκτρόνια ως αντιδρώντα - μια ένωση αποβάλλει Ο ή προσλαμβάνει Η παλαιότερος ορισμός της αναγωγής

27 ισοστάθμιση απλών αντιδράσεων οξειδοαναγωγής Ε. ισοστάθμιση αντιδράσεων οξειδαναγωγής 1. η ισοστάθμιση (προσδιορισμός συντελεστών) των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής είναι πιο πολύπλοκη από άλλες αντιδράσεις 2. για λόγους ευκολίας χρησιμοποιούμε τη μέθοδο ισοστάθμισης των ημιαντιδράσεων 3. για την ισοστάθμιση μιας απλής αντίδρασης οξειδοαναγωγής ακολουθούμε την πορεία: 1. βρίσκουμε τους ΑΟ των στοιχείων ποια στοιχεία οξειδώνονται και ανάγονται 2. διαχωρίζουμε σε ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής 3. ισοσταθμίζουμε κάθε ημιαντίδραση ως προς τα άτομα 4. ισοσταθμίζουμε κάθε ημιαντίδραση ως προς τα φορτία προσθέτουμε ηλεκτρόνια 5. ισοσταθμίζουμε τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ημιαντιδράσεων 6. προσθέτουμε τις ημιαντιδράσεις 7. ελέγχουμε αριθμό ατόμων και φορτία

Να ισοσταθμιστεί η εξίσωση της αντίδρασης Zn + Ag + Zn 2+ + Ag 28 1. βρίσκουμε τους ΑΟ των στοιχείων που οξειδώονονται/ανάγονται 2. διαχωρίζουμε σε ημιαντιδράσεις 3. ισοσταθμίζουμε ως προς τα άτομα 4. ισοσταθμίζουμε ως προς τα φορτία 5. ισοσταθμίζουμε τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ημιαντιδράσεων Zn + Ag + Zn 2+ + Ag οξείδωση: Zn Zn 2+ αναγωγή: Ag + Ag Zn Zn 2+ Ag + Ag Zn Zn 2+ + 2 e Ag + + e Ag Zn Zn 2+ + 2 e οξείδωση αναγωγή 0 +1 +2 0 2 { Ag + + e Ag 2Ag + + 2e 2Ag

Να ισοσταθμιστεί η εξίσωση της αντίδρασης Zn + Ag + Zn 2+ + Ag 29 6. προσθέτουμε τις ημιαντιδράσεις 7. ελέγχουμε αριθμό ατόμων και φορτία Zn + 2Ag + + 2e Zn 2+ + 2 e + 2Ag Zn + 2Ag + Zn 2+ + 2Ag αντιδρώντα άτομα/φορτία προϊόντα 1 Zn 1 2 Ag 2 2+ φορτίο 2+

30 Να ισοσταθμιστεί η εξίσωση της αντίδρασης Sn + Fe 3+ Sn 2+ + Fe 2+

31 ισοστάθμιση αντιδράσεων οξειδοαναγωγής σε όξινο διάλυμα 4. για την ισοστάθμιση μιας αντίδρασης οξειδοαναγωγής σε όξινο διάλυμα ακολουθούμε την πορεία: 1. βρίσκουμε τους ΑΟ των στοιχείων ποια στοιχεία οξειδώνονται και ανάγονται 2. διαχωρίζουμε σε ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής 3. ισοσταθμίζουμε κάθε ημιαντίδραση ως προς τα άτομα ισοσταθμίζουμε όλα τα άτομα εκτός από τα H και O προσθέτουμε H 2 O όπου χρειάζεται O προσθέτουμε H + όπου χρειάζεται H 4. ισοσταθμίζουμε κάθε ημιαντίδραση ως προς τα φορτία προσθέτουμε ηλεκτρόνια 5. ισοσταθμίζουμε τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ημιαντιδράσεων 6. προσθέτουμε τις ημιαντιδράσεις 7. ελέγχουμε αριθμό ατόμων και φορτία

να ισοσταθμιστεί η εξίσωση της αντίδρασης σε όξινο διάλυμα H 2 O 2 + KI + H 2 SO 4 K 2 SO 4 + I 2 + H 2 O 32 1. βρίσκουμε τους ΑΟ των στοιχείων αναγωγή οξείδωση +1-1 +1-1 +1 +6-2 +1 +6-2 0 +1-2 H 2 O 2 + KI + H 2 SO 4 K 2 SO 4 + I 2 + H 2 O 2. διαχωρίζουμε σε ημιαντιδράσεις 3. ισοσταθμίζουμε ως προς τα άτομα (εκτός Η και Ο) οξείδωση: I I 2 αναγωγή: H 2 O 2 H 2 O 2I I 2 H 2 O 2 H 2 O ισοσταθμίζουμε ως προς Ο 2I I 2 H 2 O 2 H 2 O + Η 2 Ο ισοσταθμίζουμε ως προς Η 2I I 2 2H + + H 2 O 2 2Η 2 Ο

να ισοσταθμιστεί η εξίσωση της αντίδρασης σε όξινο διάλυμα H 2 O 2 + KI + H 2 SO 4 K 2 SO 4 + I 2 + H 2 O 33 4. ισοσταθμίζουμε ως προς τα φορτία 5. ισοσταθμίζουμε τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ημιαντιδράσεων 6. προσθέτουμε τις ημιαντιδράσεις 2I I 2 + 2 e 2H + + 2 e + H 2 O 2 2Η 2 Ο 2I I 2 + 2 e 2H + + 2 e + H 2 O 2 2Η 2 Ο H 2 O 2 + 2I + 2H + I 2 + 2Η 2 Ο H 2 O 2 + 2I + 2H + + 2 Κ + + SO 2-4 I 2 + 2Η 2 Ο + 2K + + SO 2-4 H 2 O 2 + 2KI + H 2 SO 4 I 2 + 2Η 2 Ο + K 2 SO 4 7. ελέγχουμε αριθμό ατόμων και φορτία αντιδρώντα άτομα/φορτία προϊόντα 4 H 4 6 O 6 2 K 2 2 I 2 1 S 1 0 φορτίο 0

Nα ισοσταθμιστεί η εξίσωση της αντίδρασης σε όξινο διάλυμα ClO 3 + Cl Cl 2 34 1. βρίσκουμε τους ΑΟ των στοιχείων αναγωγή οξείδωση +5-2 -1 0 2. διαχωρίζουμε σε ημιαντιδράσεις 3. ισοσταθμίζουμε ως προς τα άτομα (εκτός Η και Ο) ClO 3 + Cl Cl 2 οξείδωση: Cl Cl 2 αναγωγή: ClO 3 Cl 2 2Cl Cl 2 2ClO 3 Cl 2 ισοσταθμίζουμε ως προς Ο 2Cl Cl 2 2ClO 3 Cl 2 + 6H 2 O ισοσταθμίζουμε ως προς Η 2Cl Cl 2 12H + + 2ClO 3 Cl 2 + 6H 2 O

Nα ισοσταθμιστεί η εξίσωση της αντίδρασης σε όξινο διάλυμα ClO 3 + Cl Cl 2 35 4. ισοσταθμίζουμε ως προς τα φορτία 5. ισοσταθμίζουμε τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ημιαντιδράσεων 6. προσθέτουμε τις ημιαντιδράσεις 7. ελέγχουμε αριθμό ατόμων και φορτία 2Cl Cl 2 + 2 e 12H + + 2ClO 3 + 10 e Cl 2 + 6H 2 O 5 { 2Cl Cl 2 + 2 e 1 { 12H + + 2ClO 3 +10 e Cl 2 + 6H 2 O 10Cl 5Cl 2 + 10 e 12H + + 2ClO 3 +10 e Cl 2 + 6H 2 O 2ClO 3 + 10Cl + 12H + 6Cl 2 + 6Η 2 Ο ή ClO 3 + 5Cl + 6H + 3Cl 2 + 3Η 2 Ο αντιδρώντα άτομα/φορτία προϊόντα 6 Cl 6 3 O 3 6 H 6 0 φορτίο 0

36 Υπερμαγγανικά ιόντα, MnO 4-, αντιδρούν με οξαλικό οξύ, H 2 C 2 O 4, σε όξινο διάλυμα, παράγοντας ιόντα μαγγανίου(ii) και διοξείδιο του άνθρακα. Να ισοσταθμιστεί η εξίσωση της αντίδρασης.

37 ισοστάθμιση αντιδράσεων οξειδοαναγωγής σε βασικό διάλυμα 5. για την ισοστάθμιση μιας αντίδρασης οξειδοαναγωγής σε βασικό διάλυμα ακολουθούμε την πορεία: 1. βρίσκουμε τους ΑΟ των στοιχείων ποια στοιχεία οξειδώνονται και ανάγονται 2. διαχωρίζουμε σε ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής 3. ισοσταθμίζουμε κάθε ημιαντίδραση ως προς τα άτομα ισοσταθμίζουμε όλα τα άτομα εκτός από τα H και O προσθέτουμε H 2 O όπου χρειάζεται O προσθέτουμε H + όπου χρειάζεται H επειδή το διάλυμα είναι βασικό, εξουδετερώνουμε τα H + με OH - 4. ισοσταθμίζουμε κάθε ημιαντίδραση ως προς τα φορτία προσθέτουμε ηλεκτρόνια 5. ισοσταθμίζουμε τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ημιαντιδράσεων 6. προσθέτουμε τις ημιαντιδράσεις 7. ελέγχουμε αριθμό ατόμων και φορτία

Nα ισοσταθμιστεί η εξίσωση της αντίδρασης σε βασικό διάλυμα I + MnO 4 I 2 + MnO 2 38 1. βρίσκουμε τους ΑΟ των στοιχείων 2. διαχωρίζουμε σε ημιαντιδράσεις 3. ισοσταθμίζουμε ως προς τα άτομα (εκτός Η και Ο) I + MnO 4 I 2 + MnO 2 οξείδωση: I I 2 αναγωγή: MnO 4 MnO 2 2I I 2 MnO 4 MnO 2 αναγωγή οξείδωση -1 +7-2 0 +4-2 ισοσταθμίζουμε ως προς Ο 2I I 2 MnO 4 MnO 2 + 2Η 2 Ο ισοσταθμίζουμε ως προς Η 2I I 2 4H + + MnO 4 MnO 2 + 2Η 2 Ο επειδή το διάλυμα είναι βασικό, εξουδετερώνουμε τα Η + με OH - 4H + + MnO 4 MnO 2 + 2Η 2 Ο 4 H + + 4 OH + MnO 4 MnO 2 + 2 H 2 O + 4 OH 4 H 2 O + MnO 4 MnO 2 + 2 H 2 O + 4 OH MnO 4 + 2 H 2 O MnO 2 + 4 OH

Nα ισοσταθμιστεί η εξίσωση της αντίδρασης σε βασικό διάλυμα I + MnO 4 I 2 + MnO 2 39 4. ισοσταθμίζουμε ως προς τα φορτία 5. ισοσταθμίζουμε τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ημιαντιδράσεων 6. προσθέτουμε τις ημιαντιδράσεις 7. ελέγχουμε αριθμό ατόμων και φορτίο 2 I I 2 + 2 e MnO 4 + 2 H 2 O + 3 e MnO 2 + 4 OH 3 { 2 I I 2 + 2 e 2 { MnO 4 + 2 H 2 O + 3 e MnO 2 + 4 OH 6 I 3 I 2 + 6 e 2 MnO 4 + 4 H 2 O + 6 e 2 MnO 2 + 8 OH 6 I + 2 MnO 4 + 4 H 2 O 3 I 2 + 2 MnO 2 + 8 OH αντιδρώντα άτομα/φορτία προϊόντα 6 I 6 2 Mn 2 12 O 12 8 H 8 8- φορτίο 8-

40 Τα προϊόντα της αντίδρασης μεταξύ ιόντων βρωμιδίου και υπερμαγγανικών ιόντων, MnO 4-, σε βασικό διάλυμα, είναι στερεό οξείδιο του μαγγανίου(iv), MnO 2, και βρωμικά ιόντα. Να ισοσταθμιστεί η εξίσωση της αντίδρασης.

41 γαλβανικά στοιχεία γαλβανικά στοιχεία η δομή και λειτουργία γαλβανικού στοιχείου διαγραμματικός συμβολισμός γαλβανικού στοιχείου ρεύμα και δυναμικό γαλβανικού στοιχείου πρότυπα δυναμικά αναγωγής ηλεκτροδίων

42 γαλβανικά στοιχεία ΙΙ. γαλβανικά στοιχεία Α. γαλβανικά στοιχεία 1. κάθε φορά που θέτουμε σε λειτουργία μια φορητή ηλεκτρική συσκευή, κλείνουμε ένα κύκλωμα που επιτρέπει να συμβεί μια χημική αντίδραση σε μια μπαταρία 2. μια μπαταρία είναι ένα παράδειγμα ηλεκτροχημικού στοιχείου 3. ηλεκτροχημικό στοιχείο είναι μια συσκευή στην οποία ηλεκτρικό ρεύμα (μια ροή ηλεκτρονίων δια μέσου ενός κυκλώματος): α. είτε παράγεται από μια αυθόρμητη αντίδραση οξειδοαναγωγής β. είτε χρησιμοποιείται για να συμβεί μια αντίδραση οξειδοαναγωγής 4. το ηλεκτροχημικό στοιχείο στο οποίο μια αυθόρμητη χημική αντίδραση χρησιμοποιείται για να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται γαλβανικό στοιχείο

43 ροή ηλεκτρονίων απευθείας μεταξύ ατόμων Β. η δομή και λειτουργία γαλβανικού στοιχείου 1. εξετάζουμε το πώς μια ηλεκτροχημική αντίδραση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα γαλβανικό στοιχείο για να παράγει ρεύμα 2. τοποθετούμε ένα έλασμα μεταλλικού Zn(s) σε ένα δοχείο που περιέχει διάλυμα CuSO 4 (aq) και παρατηρούμε ότι προοδευτικά : α. το αρχικά γαλάζιου χρώματος διάλυμα αποχρωματίζεται β. πάνω στο έλασμα μεταλλικού Zn(s) και στον πυθμένα του δοχείου εναποτίθεται λεπτά διαμερισμένο στερεό γ. η μάζα του ελάσματος Zn(s) ελαττώνεται

ροή ηλεκτρονίων απευθείας μεταξύ ατόμων 44 3. τα παραπάνω οφείλονται στην αυθόρμητη αντίδραση οξειδοαναγωγής Zn(s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu(s) α. το διάλυμα περιέχει Cu 2+ (aq) από τη διάσταση του CuSO 4 (aq) σε αυτά οφείλεται το γαλάζιο χρώμα β. τα άτομα Zn(s) στην επιφάνεια του μετάλλου αποβάλλουν ηλεκτρόνια που μεταφέρονται κοντινά τους Cu 2+ (aq) γ. ο Zn(s) οξειδώνεται σε Zn 2+ (aq) Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e ο μεταλλικός Zn(s) μετατρέπεται σε άχρωμα διαλυτά Zn 2+ (aq) δ. τα κοντινά Cu 2+ (aq) ανάγονται σε Cu(s) Cu 2+ + 2e Cu(s) τα γαλάζιου χρώματος Cu 2+ (aq) μετατρέπονται σε μεταλλικό Cu(s) που

ροή ηλεκτρονίων απευθείας μεταξύ ατόμων 45 4. προοδευτικά, η αντίδραση φτάνει σε ισορροπία, η ελεύθερη ενέργεια Gibbs του συστήματος ελαττώνεται και ελευθερώνεται ενέργεια η οποία όμως χάνεται με τη μορφή θερμότητας 5. αυτή η ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή έργου σε ένα γαλβανικό στοιχείο αλλά πώς κατασκευάζω ένα τέτοιο γαλβανικό στοιχείο;

κατασκευή γαλβανικού στοιχείου (1) 46 6. αρχικά, διαχωρίζουμε τα αντιδρώντα έτσι ώστε οι 2 ημιαντιδράσεις να συμβαίνουν σε 2 ξεχωριστά δοχεία α. στο ένα δοχείο τοποθετούμε ένα έλασμα μεταλλικού Zn(s) σε ένα υδατικό διάλυμα Zn(ΝΟ 3 ) 2 (aq) 1.0 Μ β. στο άλλο δοχείο τοποθετούμε ένα έλασμα μεταλλικού Cu(s) σε ένα υδατικό διάλυμα Cu(ΝΟ 3 ) 2 (aq) 1.0 Μ τα ελάσματα ονομάζονται ηλεκτρόδια και τα δοχεία (μαζί με τα περιεχόμενά τους) ονομάζονται ημιστοιχεία τα ηλεκτρόδια είναι αγώγιμες επιφάνειες μέσω των οποίων μπορούν να μεταφέρονται ηλεκτρόνια

κατασκευή γαλβανικού στοιχείου (1) 47 γ. κάθε έλασμα φτάνει σε ισορροπία με τα αντίστοιχα ιόντα στο διάλυμά του σύμφωνα με τις ημιαντιδράσεις Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e και Cu(s) Cu 2+ (aq) + 2e δ. για τις 2 ημιαντιδράσεις οι θέσεις ισορροπίας είναι διαφορετικές ε. λόγω του ότι ο Zn(s) έχει μεγαλύτερη τάση από τον Cu(s) να οξειδωθεί η ισορροπία του είναι μετατοπισμένη περισσότερο προς τα δεξιά έτσι, το έλασμα Zn θεωρείται ότι φορτίζεται αρνητικά ( ) σε σχέση με το ηλεκτρόδιο Cu που έχει λιγότερο αρνητικό φορτίο και φορτίζεται θετικά (+) στ. όμως, τα αντιδρώντα στα ημιστοιχεία δεν είναι σε επαφή δεν μεταφέρονται ηλεκτρόνια από το ένα ημιστοιχείο στο άλλο και δεν συμβαίνει αντίδραση

κατασκευή γαλβανικού στοιχείου (2) 48 7. στη συνέχεια, συνδέουμε εξωτερικά τα ελάσματα Zn και Cu μεταξύ τους με μεταλλικό σύρμα α. το μεταλλικό σύρμα είναι αγωγός ηλεκτρικού ρεύματος και επιτρέπει να μεταφέρονται ηλεκτρόνια από το ένα ημιστοιχείο στο άλλο

κατασκευή γαλβανικού στοιχείου (2) 49 β. τα ηλεκτρόνια απομακρύνονται από το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο Zn ( ), η ισορροπία Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e μετατοπίζεται προς τα δεξιά και συμβαίνει οξείδωση το ηλεκτρόδιο Zn ονομάζεται άνοδος γ. τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται μέσω του σύρματος στο θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο Cu (+), η ισορροπία Cu(s) Cu 2+ (aq) + 2e μετατοπίζεται προς τα αριστερά και συμβαίνει αναγωγή το ηλεκτρόδιο Cu ονομάζεται κάθοδος

κατασκευή γαλβανικού στοιχείου (2) 50 δ. όμως, η διαδικασία σταματάει σχεδόν ακαριαία i. στο ημιστοιχείο όπου γίνεται η οξείδωση Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e, αυξάνεται το θετικό φορτίο (Zn 2+ ) ii. στο ημιστοιχείο όπου γίνεται η αναγωγή Cu 2+ (aq) + 2e Cu(s), ελαττώνεται το θετικό φορτίο (Cu 2+ ) και μένει περίσσεια αρνητικού φορτίου των ΝO 3 (aq) iii. επομένως, η ανάπτυξη φορτίων σε κάθε ημιστοιχείο δεν επιτρέπει στην αντίδραση να συμβεί NO 3 Zn 2+

κατασκευή γαλβανικού στοιχείου (3) 51 8. ακολούθως, συνδέουμε τα διαλύματα των ημιστοιχείων με ένα σωλήνα σχήματος που περιέχει ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη (π.χ. KΝΟ 3 ) σε ένα gel και έχει ημιπερατές μεμβράνες στα άκρα α. ο σωλήνας ονομάζεται γέφυρα άλατος i. περιέχει ιόντα (π.χ. K + και ΝΟ 3 ) που μπορούν να εισέρχονται στα διαλύματα των ημιστοιχείων ii. δεν επιτρέπει να συμβεί ανάμιξη των διαλυμάτων των ημιστοιχείων π.χ. αν τα Cu 2+ (aq) έρθουν σε επαφή με το Zn(s) θα συμβεί απευθείας μεταξύ τους αντίδραση χωρίς να ρέουν ηλεκτρόνια στον αγωγό

κατασκευή γαλβανικού στοιχείου (3) 52 β. καθώς ηλεκτρόνια αρχίζουν να κινούνται δια μέσω του αγωγού από το ηλεκτρόδιο Zn προς το ηλεκτρόδιο του Cu : i. τα ΝΟ 3 από τη γέφυρα άλατος μετακινούνται στο ημιστοιχείο της ανόδου για να αντισταθμίσουν το θετικό φορτίο των Zn 2+ (aq) ii. τα K + από τη γέφυρα άλατος μετακινούνται στο ημιστοιχείο της καθόδου για να αντισταθμίσουν το αρνητικό φορτίο των ΝΟ 3 (aq) γ. η γέφυρα άλατος κλείνει το κύκλωμα με τον μεταλλικό αγωγό και επιτρέπει να συμβεί η αυθόρμητη αντίδραση Zn(s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu(s) NO 3 Zn 2+

κατασκευή γαλβανικού στοιχείου (3) 53 9. η ροή των ηλεκτρονίων δια μέσω του εξωτερικού αγωγού σε συνδυασμό με τη ροή ιόντων δια μέσω της γέφυρας άλατος, δημιουργούν ένα κύκλωμα που επιτρέπει τη δημιουργία ρεύματος το ρεύμα αυτό χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικού έργου π.χ. ανάβει ένας λαμπτήρας που παρεμβάλλεται στο μεταλλικό σύρμα NO 3 Zn 2+

γαλβανικά στοιχεία 54 10. το παραπάνω στοιχείο είναι το γαλβανικό στοιχείο Daniel ένα από τα πρώτα παραδείγματα γαλβανικών στοιχείων που επινοήθηκε το 1836 από τον John Daniel (Βρετανία) 11. συμπερασματικά, ένα γαλβανικό στοιχείο αποτελείται από: α. 2 ημιστοιχεία που είναι χώροι όπου συμβαίνουν οι ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής ξεχωριστά β. 2 ηλεκτρόδια, το καθένα σε επαφή με τα αντίστοιχα διαλύματα των ημιστοιχείων κάθε ηλεκτρόδιο αποτελείται από κάποιο ηλεκτρικά αγώγιμο υλικό π.χ. μέταλλο, γραφίτης γ. έναν εξωτερικό μεταλλικό αγωγό που συνδέει τα δύο ηλεκτρόδια δ. μια γέφυρα άλατος που συνδέει τα διαλύματα των 2 ημιστοιχείων αποτελείται από ένα κορεσμένο διάλυμα κάποιου άλατος

55 ηλεκτρικό ρεύμα Γ. ρεύμα και δυναμικό γαλβανικού στοιχείου 1. η κίνηση των ηλεκτρονίων στον αγωγό ενός γαλβανικού στοιχείου είναι ανάλογη με την κίνηση του νερού σε έναν καταρράκτη α. η ροή του νερού ονομάζεται ρεύμα νερού β. η ροή των ηλεκτρονίων στον αγωγό ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα 2. μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού ρεύματος είναι το ampere (A) 1 A εκφράζει τη ροή ηλεκτρικού φορτίου 1 coulomb (C) που περνάει από ένα σημείο του αγωγού σε χρόνο 1 second (s) 1 ηλεκτρόνιο έχει φορτίο 1.602 10 19 C επομένως, 1 Α αντιστοιχεί σε ροή 6.224 10 18 ηλεκτρονίων / s

διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού 56 3. η αιτία που προκαλεί την αυθόρμητη κίνηση των ηλεκτρονίων από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο ενός γαλβανικού στοιχείου είναι ανάλογη με αυτή που προκαλεί την αυθόρμητη κίνηση του νερού σε έναν καταρράκτη α. το νερό κινείται εξαιτίας μιας διαφοράς βαρυτικής δυναμικής ενέργειας προκαλείται από το βαρυτικό πεδίο λόγω διαφοράς ύψους το νερό μεταβαίνει από μεγάλο σε μικρό ύψος (από μεγάλη σε μικρότερη βαρυτική δυναμική ενέργεια) β. τα ηλεκτρόνια κινούνται εξαιτίας μιας διαφοράς ηλεκτρικής δυναμικής ενέργειας προκαλείται από το ηλεκτρικό πεδίο λόγω διαφορετικών φορτίων στα δύο ηλεκτρόδια τα ηλεκτρόνια μεταβαίνουν από την αρνητικά φορτισμένη άνοδο προς τη θετικά φορτισμένη κάθοδο (από μεγάλη σε μικρότερη ηλεκτρική δυναμική ενέργεια)

μονάδα μέτρησης διαφοράς ηλεκτρικού δυναμικού 57 4. ένα φορτίο που κινείται μεταξύ 2 σημείων ενός αγωγού με μια διαφορά ηλεκτρικής δυναμικής ενέργειας (ή διαφοράς δυναμικού) ελευθερώνει ενέργεια ενέργεια = (φορτίο) (διαφορά δυναμικού) 5. από τη σχέση αυτή ορίζεται ως μονάδα μέτρησης διαφοράς δυναμικού το volt (V) ηλεκτρικό φορτίο 1 coulomb (C) που κινείται μεταξύ δύο σημείων με διαφορά δυναμικού 1 volt (V) ελευθερώνει 1 joule (J) ενέργειας 1J = 1C 1V

58 ενέργεια που ελευθερώνεται και παραγωγή ηλεκτρικού έργου 6. η ενέργεια που ελευθερώνεται μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικού έργου w e που είναι 7. το ηλεκτρικό έργο που παράγεται από την κίνηση n mol ηλεκτρονίων σε ένα γαλβανικό στοιχείο με διαφορά δυναμικού Ε είναι w e = (φορτίο) (διαφορά δυναμικού) = neν Α Ε = nfe α. εφόσον το φορτίο 1 ηλεκτρονίου είναι e e = στοιχειακό φορτίο το φορτίο ανά mol ηλεκτρονίων είναι eν Α N A = σταθερά Avogadro = 6.023 10 23 /mol eν Α = F = σταθερά Faraday F = eν Α = (1.602 10 19 C) (6.023 10 23 /mol) = 96485 C/mol το φορτίο n mol ηλεκτρονίων είναι neν Α β. η φυσική σημασία του αρνητικού πρόσημου για το w e είναι ότι από το σύστημα αποβάλλεται ενέργεια στο περιβάλλον παράγοντας έργο

δυναμικό στοιχείου E cell 59 8. σε ένα γαλβανικό στοιχείο σε λειτουργία, η διαφορά δυναμικού μεταξύ των 2 ηλεκτροδίων του είναι πάντα μικρότερη από τη μέγιστη δυνατή διαφορά δυναμικού του στοιχείου καθώς τα ηλεκτρόνια κινούνται στον αγωγό, καταναλώνεται ενέργεια (για παραγωγή έργου), η οποία ελαττώνει τη διαφορά δυναμικού του στοιχείου 9. η μέγιστη δυνατή διαφορά δυναμικού επιτυγχάνεται όταν δεν ρέει καθόλου ρεύμα στο στοιχείο αυτή ονομάζεται δυναμικό στοιχείου Ε cell επίσης, ονομάζεται ηλεκτρεγερτική δύναμη στοιχείου είναι η δύναμη που προκαλεί την κίνηση των ηλεκτρονίων στον εξωτερικό αγωγό

πειραματικός προσδιορισμός δυναμικού στοιχείου 60 10. πειραματικά, η Ε cell ενός γαλβανικού στοιχείου μπορεί να μετρηθεί με ένα βολτόμετρο το οποίο: α. είναι μια ηλεκτρονική συσκευή με πολύ μεγάλη εσωτερική αντίσταση δεν «τραβάει» ρεύμα και δεν επηρεάζει το δυναμικό του γαλβανικού στοιχείου β. για να δώσει τη σωστή τιμή E cell πρέπει να συνδεθεί παράλληλα με το γαλβανικό στοιχείο ο θετικός πόλος του (+) συνδέεται με την κάθοδο (+) του στοιχείου αν συνδεθεί ανάποδα η τιμή του μετρούμενου δυναμικού θα έχει αντίθετο πρόσημο (-) (+) Cu Zn (-)(+)

61 δυναμικό στοιχείου και μεταβολή ελεύθερης ενέργειας 11. το ηλεκτρικό έργο w e είναι έργο μη εκτόνωσης δεν μεταβάλλεται ο όγκος του συστήματος 12. σε σταθερή θερμοκρασία και πίεση, το μέγιστο έργο μη εκτόνωσης w e που μπορεί να παράγει ένα σύστημα είναι ίσο με τη μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας Gibbs ΔG του συστήματος w e = ΔG 13. εφόσον w e = nfe, η σχέση που συνδέει το δυναμικό E cell ενός γαλβανικού στοιχείου και την ΔG r της αντίδρασης του στοιχείου είναι ΔG r = nfe cell όπου - n είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μεταφέρονται - F = 96485 C/mol

62 δυναμικό στοιχείου και αυθόρμητη κατεύθυνση αντίδρασης στοιχείου 14. επομένως, η E cell ενός στοιχείου είναι κριτήριο του αυθορμήτου της αντίδρασης του στοιχείου α. όταν E cell > 0, τότε ΔG r <0, και η αντίδραση του στοιχείου έχει αυθόρμητη τάση να σχηματίσει προϊόντα β. όταν E cell < 0, τότε ΔG r > 0, και η αντίστροφη αντίδραση είναι αυθόρμητη το στοιχείο έχει αυθόρμητη τάση να σχηματίσει αντιδρώντα γ. όσο πιο μεγάλη και θετική είναι η E cell, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση της αντίδρασης να συμβεί αυθόρμητα προς τα δεξιά και να δώσει προϊόντα μια εξαντλημένη μπαταρία είναι ένα γαλβανικό στοιχείο που έχει φτάσει σε ισορροπία και έχει χάσει τη δύναμή της να ωθεί ηλεκτρόνια (E cell ~ 0)

63 δυναμικό στοιχείου και μεταβολή ελεύθερης ενέργειας 15. το Ε cell ενός γαλβανικού στοιχείου εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων στα ημιστοιχεία του και τη θερμοκρασία α. σε πρότυπες συνθήκες (συγκεντρώσεις αντιδρώντων 1 Μ σε διάλυμα και μερικές πιέσεις 1 atm για αέρια) και θερμοκρασία 25 ο C το δυναμικό στοιχείου ονομάζεται πρότυπο δυναμικό στοιχείου Ε o cell β. η σχέση που συνδέει το E o cell ενός γαλβανικού στοιχείου και την ΔG ο r της αντίδρασης του στοιχείου είναι ΔG ο r = nfe ο cell

64 Το δυναμικό του στοιχείου Daniel για κάποιες συγκεντρώσεις Cu 2+ (aq) και Zn 2+ (aq) βρέθηκε να είναι 1.04 V. Ποια είναι η μεταβολή ελεύθερης Gibbs της αντίδρασης του στοιχείου ΔG r υπό αυτές τις συνθήκες; δεδομένα: γαλβανικό στοιχείο Daniel, Ε cell = +1.04 V ζητούμενα: σχέδιο: ΔG r, kj/mol ημιαντιδράσεις n E cell ΔG nfecell ΔG σχέσεις: λύση: 2+ 2+ Zn(s) Zn (aq) + 2e Cu (aq) + 2e Cu(s) 4 ΔG = nfε, F 9.6485 10 C/mol r cell αν οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων είναι 1.0 M, τότε σε κάθε ημιαντίδραση μεταφέρονται n 2 mol ηλεκτρονίων ΔG r nfδε cell 4 (2) (9.6485 10 C/mol) (1.04 V) 5 2.01 10 C V 201 kj/mol

διαγραμματικός συμβολισμός γαλβανικού στοιχείου 65 Γ. διαγραμματικός συμβολισμός γαλβανικού στοιχείου 1. για λόγους συντομογραφικούς, τα γαλβανικά στοιχεία συμβολίζονται με ειδικά διαγράμματα στοιχείων π.χ. το στοιχείο Daniel συμβολίζεται ως Zn(s) Zn 2+ (aq,1.0 M) Cu 2+ (aq,1.0 M) Cu(s)

66 διαγραμματικός συμβολισμός γαλβανικού στοιχείου 2. ο διαγραμματικός συμβολισμός Zn(s) Zn 2+ (aq,1.0 M) Cu 2+ (aq,1.0 M) Cu(s) προκύπτει σύμφωνα με τους εξής κανόνες: α. στα αριστερά αναγράφεται στο ημιστοιχείο της ανόδου (οξείδωση) και στα δεξιά αναγράφεται το ημιστοιχείο της καθόδου (αναγωγή) η ροή των ηλεκτρονίων είναι από αριστερά (άνοδος) προς τα δεξιά (κάθοδος) β. κάθε ημιστοιχείο γράφεται ως αντιδρών προϊόν της αντίστοιχης ημιαντίδρασης γ. οι διεπιφάνειες μεταξύ των διαφορετικών φάσεων σε κάθε ημιστοιχείο (στερεό ηλεκτρόδιο και διάλυμα) παριστάνονται με απλές κάθετες γραμμές δ. η γέφυρα άλατος μεταξύ των ημιστοιχείων παριστάνεται με μια διπλή κάθετη γραμμή ε. οι συγκεντρώσεις των ιόντων στα διαλύματα των ημιστοιχείων αναγράφονται σε παρενθέσεις

Να βρεθεί η αντίδραση του στοιχείου Cd(s) Cd 2+ (aq) Ag + (aq) Ag(s) και να σχεδιαστεί το στοιχείο. 67 1. βρίσκουμε την εξίσωση της ημιαντίδρασης αναγωγής του στοιχείου 2. βρίσκουμε την εξίσωση της ημιαντίδρασης οξείδωσης του στοιχείου 3. ισοσταθμίζουμε τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ημιαντιδράσεων 4. προσθέτουμε τις ημιαντιδράσεις ηλεκτρόδιο στα δεξιά-κάθοδος-αναγωγή Ag + (aq) + e Ag(s) ηλεκτρόδιο στα αριστερά-άνοδος-οξείδωση: Cd(s) Cd 2+ (aq) + 2e 2 { Ag + (aq) + e Ag(s) 1 { Cd(s) Cd 2+ (aq) + 2e 2Ag + (aq) + Cd(s) 2Ag(s) + Cd 2+ (aq)

Να βρεθεί η αντίδραση του στοιχείου Cd(s) Cd 2+ (aq) Ag + (aq) Ag(s) και να σχεδιαστεί το στοιχείο. 68 5. από τα παραπάνω, σχεδιάζεται τα στοιχείο

ημιστοιχεία με αδρανή ηλεκτρόδια C και Pt 69 3. σε κάποια γαλβανικά στοιχεία, η οξειδωμένη και ανηγμένη μορφή ενός σε ένα ημιστοιχείο είναι στην ίδια φάση π.χ. ένα γαλβανικό στοιχείο βασίζεται στην αντίδραση 5Fe(s) + 2MnO 4 (aq) + 16H + (aq) 5Fe 2+ (aq) + 2Mn 2+ (aq) + 8H 2 O(l) - η ημιαντίδραση οξείδωσης είναι: Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2e - η ημιαντίδραση αναγωγής είναι: MnO 4 (aq) + 5e + 8H + (aq) Mn 2+ (aq) + 4H 2 O(l) τα MnO 4 (aq) και Mn 2+ (aq) είναι στην ίδια φάση 4. για την ημιαντίδραση αναγωγής, ως αγώγιμη επιφάνεια του ημιστοιχείου για τη μεταφορά ηλεκτρονίων χρησιμοποιείται ένα αδρανές ηλεκτρόδιο C ή Pt βυθισμένο στο διάλυμα των αντιδρώντων σωμάτων

ημιστοιχεία με αδρανή ηλεκτρόδια C και Pt 70 5. για το διαγραμματικό συμβολισμό ενός τέτοιου στοιχείου: - το αδρανές ηλεκτρόδιο αναγράφεται στην εξωτερική πλευρά του ημιστοιχείου - τα αντιδρώντα/προϊόντα του ίδιου ημιστοιχείου που είναι στην ίδια φάση διαχωρίζονται με κόμματα π.χ. Fe(s) Fe 2+ (aq) MnO 4 (aq), Mn 2+ (aq), H + (aq) Pt(s)

Να βρεθεί η αντίδραση του στοιχείου Zn(s) Zn 2+ (aq) Fe 3+ (aq), Fe 2+ (aq) Pt. 71 1. βρίσκουμε την εξίσωση της ημιαντίδρασης αναγωγής του στοιχείου 2. βρίσκουμε την εξίσωση της ημιαντίδρασης οξείδωσης του στοιχείου 3. ισοσταθμίζουμε τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ημιαντιδράσεων 4. προσθέτουμε τις ημιαντιδράσεις ηλεκτρόδιο στα δεξιά-κάθοδος-αναγωγή Fe 3+ (aq) + e Fe 2+ (aq) ηλεκτρόδιο στα αριστερά-άνοδος-οξείδωση: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e 2 { Fe 3+ (aq) + e Fe 2+ (aq) 1 { Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e 2Fe 3+ (aq) + Zn(s) 2Fe 2+ (aq) + Zn 2+ (aq)

διάγραμμα στοιχείου και κατεύθυνση αντίδρασης 72 6. ο διαγραμματικός συμβολισμός ενός γαλβανικού στοιχείου αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση της αντίδρασης του στοιχείου για την οποία θεωρείται ότι - η οξείδωση συμβαίνει στο αριστερό ημιστοιχείο - η αναγωγή συμβαίνει στο δεξί ημιστοιχείο 7. για ένα τέτοιο στοιχείο: α. όταν E cell > 0, η αντίδραση συμβαίνει αυθόρμητα προς την κατεύθυνση στην οποία αναγράφεται (δεξιά) β. E cell < 0, η αντίδραση συμβαίνει αυθόρμητα προς την αντίστροφη κατεύθυνση (αριστερά)

διάγραμμα στοιχείου και κατεύθυνση αντίδρασης 73 8. για το γαλβανικό στοιχείο Zn(s) Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) Cu(s) α. θεωρείται ότι: οξείδωση: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e αναγωγή: Cu 2+ (aq) + 2e Cu(s) συνολική αντίδραση: Zn(s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu(s) β. βρίσκουμε ότι E cell > 0 (ΔG <0) κι επομένως: - η προς τα δεξιά κατεύθυνση της αντίδρασης είναι αυθόρμητη - η κάθοδος είναι το ηλεκτρόδιο που αναγράφεται στα δεξιά

διάγραμμα στοιχείου και κατεύθυνση αντίδρασης 74 9. για το γαλβανικό στοιχείο Cu(s) Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) Zn(s) α. θεωρείται ότι: οξείδωση: Cu(s) Cu 2+ (aq) + 2e αναγωγή: Zn 2+ (aq) + 2e Zn(s) συνολική αντίδραση: Cu(s) + Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) + Zn(s) β. βρίσκουμε ότι E cell < 0 (ΔG > 0) κι επομένως - η αντίστροφη αντίδραση συμβαίνει αυθόρμητα - η κάθοδος είναι το ηλεκτρόδιο που αναγράφεται στα αριστερά

Να βρεθεί η αντίδραση του στοιχείου Pt(s) H 2 (g) HCl(aq) Hg 2 Cl 2 (s) Hg(l) και να δοθεί ένα σχεδιάγραμμά του. Αν βρεθεί ότι E cell < 0, να σχεδιαστεί η κατεύθυνση ροής των ηλεκτρονίων. 75 1. βρίσκουμε την εξίσωση της ημιαντίδρασης αναγωγής του στοιχείου 2. βρίσκουμε την εξίσωση της ημιαντίδρασης οξείδωσης του στοιχείου 3. ισοσταθμίζουμε τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ημιαντιδράσεων 4. προσθέτουμε τις ημιαντιδράσεις ηλεκτρόδιο στα δεξιά-αναγωγή Hg 2 Cl 2 (s) + 2e 2Hg(l) + 2Cl (aq) ηλεκτρόδιο στα αριστερά-οξείδωση: ½ Η 2 (g) H + (aq) + e 1 { Hg 2 Cl 2 (s) + 2e 2Hg(l) + 2Cl (aq) 2 { ½ Η 2 (g) H + (aq) + e Hg 2 Cl 2 (s) + Η 2 (g) 2Hg(l) + 2Cl (aq) + 2H + (aq)

76 Να βρεθεί η αντίδραση του στοιχείου Pt(s) H 2 (g) HCl(aq) Hg 2 Cl 2 (s) Hg(l) και να δοθεί ένα σχεδιάγραμμά του. Αν βρεθεί ότι E cell < 0, να σχεδιαστεί η κατεύθυνση ροής των ηλεκτρονίων. 5. από τα παραπάνω, λαμβάνεται το σχεδιάγραμμα του στοιχείου άνοδος (-) ½ Η 2 (g) H + (aq) + e κάθοδος (+) Hg 2 Cl 2 (s) + 2e 2Hg(l) + 2Cl (aq) 6. από το E cell προσδιορίζεται η αυθόρμητη ροή των ηλεκτρονίων εφόσον E cell < 0, η προς τα αριστερά κατεύθυνση της αντίδρασης είναι αυθόρμητη Hg 2 Cl 2 (s) + Η 2 (g) 2Hg(l) + 2Cl (aq) + 2H + (aq) - το ηλεκτρόδιο Hg είναι άνοδος (-) (οξείδωση) - το ηλεκτρόδιο H είναι η κάθοδος (+) (αναγωγή) κάθοδος (+) άνοδος (-)

77 πρότυπο δυναμικό αναγωγής ηλεκτροδίου E o red Ε. πρότυπα δυναμικά αναγωγής ηλεκτροδίων 1. είναι δυνατό να κατασκευάσουμε πολλά διαφορετικά γαλβανικά στοιχεία 2. όμως, αντί να μελετάμε καθένα από αυτά ξεχωριστά, είναι πιο εύκολο να μελετήσουμε ένα μικρότερο αριθμό ηλεκτροδίων, τα οποία συνδυάζουμε για να σχηματίζουμε τα γαλβανικά στοιχεία 3. κάθε ένα από αυτά τα ηλεκτρόδια έχει το δικό του δυναμικό ηλεκτροδίου 4. αυτό ορίζεται ως το μέτρο της δύναμης με την οποία το ηλεκτρόδιο προσλαμβάνει ηλεκτρόνια σε μια ημιαντίδραση αναγωγής σε πρότυπες συνθήκες, ονομάζεται πρότυπο δυναμικό αναγωγής ηλεκτροδίου E ο red

πρότυπο δυναμικό αναγωγής ηλεκτροδίου E o red 78 5. σε ένα γαλβανικό στοιχείο, τα ηλεκτρόδια έλκουν προς αντίθετες κατευθύνσεις 6. η συνολική δύναμη με την οποία έλκει το γαλβανικό στοιχείο προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση είναι η διαφορά των E o red των 2 ηλεκτροδίων τα ηλεκτρόνια ρέουν έτσι ώστε να συμβαίνει η ημιαντίδραση με τη μεγαλύτερη τάση 7. η διαφορά αυτή γράφεται ως εξής: E o cell = Ε ο red(ηλεκτρόδιο δεξία) Ε ο red(ηλεκτρόδιο αριστερά) = 8. αν E o cell > 0, τότε: - Ε ο red(ηλεκτρόδιο δεξία) > Ε ο red(ηλεκτρόδιο αριστερά) - τα ηλεκτρόνια ρέουν από αριστερά προς δεξιά

πρότυπο ηλεκτρόδιο υδρογόνου 79 9. όμως, δεν μπορούμε να μετρήσουμε απευθείας τα E o red των ηλεκτροδίων ένα βολτόμετρο μεταξύ 2 ηλεκτροδίων ενός γαλβανικού στοιχείου μετράει τη διαφορά των δυναμικών δυναμικού E o cell, αλλά όχι τα επιμέρους E o red των ηλεκτροδίων 10. για να προσδιορίσουμε το E o red ενός ηλεκτροδίου με ένα συγκεκριμένο οξειδοαναγωγικό ζεύγος, θέτουμε αυθαίρετα το Ε ο red του ηλεκτροδίου του υδρογόνου να είναι ίσο με μηδέν για όλες τις θερμοκρασίες 11. το ηλεκτρόδιο του υδρογόνου δίνεται στο διπλανό σχήμα α. βασίζεται στην ημιαντίδραση 2Η + (aq) + 2e H 2 (g) E redo (H + /H 2 ) = 0.00 V β. σε πρότυπες συνθήκες (πίεση Η 2 (g) 1 bar και συγκέντρωση Η + (aq) 1.00 M) ονομάζεται πρότυπο ηλεκτρόδιο υδρογόνου standard hydrogen electrode (SHE)

80 προσδιορισμός πρότυπου δυναμικού αναγωγής ηλεκτροδίου E o red 12. στη συνέχεια, κατασκευάζουμε ένα στοιχείο τέτοιο ώστε στο διάγραμμά του: α. στα δεξιά είναι το ηλεκτρόδιο του ζητούμενου οξειδοαναγωγικού ζεύγους β. στα αριστερά είναι το SHE 13. εφόσον E o red(she) = 0, το Ε ο red ηλεκτροδίου του ζητούμενου οξειδοαναγωγικού ζεύγους είναι ίσο με το μετρούμενο Ε ο cell του στοιχείου

81 προσδιορισμός πρότυπου δυναμικού αναγωγής ηλεκτροδίου E o red 14. κατασκευάζουμε το στοιχείο Pt(s) H 2 (g),h + (aq) Cu 2+ (aq) Cu(s) σε πρότυπες συνθήκες και 25 ο C α. βρίσκουμε ότι E ο cell = +0.34 V β. επομένως, το ηλεκτρόδιο στα δεξιά Cu 2+ /Cu είναι η κάθοδος όπου συμβαίνει αναγωγή Cu 2+ (aq) + 2e Cu(s) η συνολική αντίδραση στοιχείου είναι Cu 2+ (aq) + Η 2 (g) Cu(s) + 2H + (aq) γ. λόγω του ότι το συνολικό δυναμικό οφείλεται στο ηλεκτρόδιο Cu 2+ /Cu: E o cell = E o red(cu 2+ /Cu) = +0.34 V δ. λόγω του ότι E o red (Cu 2+ /Cu) > Ε o red(she), το ηλεκτρόδιο Cu 2+ /Cu προσλαμβάνει ηλεκτρόνια από το SHE

82 προσδιορισμός πρότυπου δυναμικού αναγωγής ηλεκτροδίου E o red 15. κατασκευάζουμε το στοιχείο Pt(s) H 2 (g),h + (aq) Zn 2+ (aq) Zn(s) σε πρότυπες συνθήκες και 25 ο C α. βρίσκουμε ότι E ο cell = -0.76 V β. επομένως, το ηλεκτρόδιο στα δεξιά Zn 2+ /Zn είναι η άνοδος όπου συμβαίνει οξείδωση Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e η συνολική αντίδραση στοιχείου είναι Zn(s) + 2H + (aq) = Zn 2+ (aq) + H 2 (g) γ. λόγω του ότι το συνολικό δυναμικό οφείλεται στο ηλεκτρόδιο Zn 2+ /Zn: Ε o cell = E o (Zn 2+ /Zn) = -0.76 V δ. λόγω του ότι E o red (Zn 2+ /Zn) < Ε o red(she), το ηλεκτρόδιο Zn 2+ /Zn αποβάλει ηλεκτρόνια προς το SHE

πρότυπα δυναμικά αναγωγής ηλεκτροδίων E o red 83 16. παρακάτω δίνονται σε μορφή πίνακα οι τιμές των E o red για διάφορα ηλεκτρόδια: α. E o red(she) = 0 V β. τα ηλεκτρόδια με E o red > 0 τείνουν να προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια από το SHE π.χ. Cu 2+ (aq) + 2e Cu(s) E o red(cu 2+ /Cu) = +0.34 V γ. τα ηλεκτρόδια με E o red < 0 τείνουν να αποβάλλουν ηλεκτρόνια προς το SHE π.χ. Zn 2+ (aq) + 2e Zn(s) E o (Zn 2+ /Zn) = -0.76 V

84 πρότυπα δυναμικά αναγωγής ηλεκτροδίων E o red διαφόρων ηλεκτροδίων στους 25 ο C

σχετική ισχύς οξειδωτικών και αναγωγικών μέσων 85 Ε1. E o red ηλεκτροδίων και σχετική ισχύς οξειδωτικών και αναγωγικών μέσων ηλεκτροχημικη σειρά 1. σε ένα γαλβανικό στοιχείο, ένα ηλεκτρόδιο με E o red < E o red(she) = 0 δίνει ηλεκτρόνια προς το SHE 2. επομένως, ένα οξειδοαναγωγικό ζεύγος με E o red < 0 δίνει ηλεκτρόνια στα Η + και τα ανάγει προς H 2 π.χ. E o (Zn 2+ /Zn) = -0.76 V Zn(s) + 2H + (aq) Zn 2+ (aq) + H 2 (g) 3. ένα οξειδοαναγωγικό ζεύγος με E o red > 0 δεν δίνει ηλεκτρόνια στα Η + και δεν τα ανάγει προς Η 2 π.χ. E o red(cu 2+ /Cu) = +0.34 V Cu(s) + 2H + (aq) όχι αντίδραση 4. γενικά, όσο πιο αρνητικό είναι το E o red ενός οξειδοαναγωγικού ζεύγους, τόσο περισσότερο τείνει να αποβάλει ηλεκτρόνια και να προκαλεί αναγωγή έχει μεγαλύτερη αναγωγική ισχύ Cu 2+ /Cu Zn 2+ /Zn

86 ηλεκτροχημική σειρά 5. αν ο πίνακας με τα E o red ηλεκτροδίων θεωρηθεί ως πίνακας σχετικής αναγωγικής ισχύος ουσιών, ονομάζεται ηλεκτροχημική σειρά 6. ένα οξειδοαναγωγικό ζεύγος με μικρό και αρνητικό Ε ο red (χαμηλά στον πίνακα) έχει μεγάλη τάση να αποβάλλει ηλεκτρόνια (να οξειδώνεται) και να προκαλεί αναγωγή η ημιαντίδραση τείνει να συμβεί προς τα αριστερά η ανηγμένη μορφή του ζεύγους: - είναι ισχυρό αναγωγικό μέσο - ανάγει τα οξειδωμένα είδη στις πιο πάνω θέσεις του πίνακα π.χ. τo Li(s) - είναι το πιο ισχυρό αναγωγικό μέσο - ανάγει τα H + (aq) προς Η 2 (g)

87 ηλεκτροχημική σειρά 7. ένα οξειδοαναγωγικό ζεύγος με μεγάλο και θετικό Ε ο red (ψηλά στον πίνακα) έχει μεγαλύτερη τάση να προσλαμβάνει ηλεκτρόνια (να ανάγεται) και να προκαλεί οξείδωση η ημιαντίδραση τείνει να συμβεί προς τα δεξιά η οξειδωμένη μορφή του ζεύγους: - είναι ισχυρό οξειδωτικό μέσο - οξειδώνει τα ανηγμένα είδη στις πιο κάτω θέσεις του πίνακα π.χ. το F 2 (g) - είναι το πιο ισχυρό οξειδωτικό μέσο - οξειδώνει το Η 2 (g) προς Η + (aq)

ηλεκτροχημική σειρά 88 8. παρακάτω δίνεται η σειρά αναγωγικής/οξειδωτικής ισχύος για διάφορα οξειδοαναγωγικά ζεύγη

89 σχετική ισχύς οξειδωτικών και αναγωγικών μέσων και περιοδικός πίνακας 9. η αναγωγική/οξειδωτική ισχύς των στοιχείων ποικίλει με πολύπλοκο τρόπο στον περιοδικό πίνακα α. τα πιο ισχυρά αναγωγικά μέσα (ζεύγη με πιο αρνητικά E o red) βρίσκονται στην αριστερή πλευρά του περιοδικού πίνακα β. τα πιο ισχυρά οξειδωτικά (ζεύγη με πιο θετικά E o red) βρίσκονται στην πάνω δεξιά πλευρά του περιοδικού πίνακα

Να καταταγούν τα παρακάτω αντιδραστήρια κατά αύξουσα σειρά οξειδωτικής ή αναγωγικής ισχύος σε πρότυπες συνθήκες. 90 αύξουσα οξειδωτική ισχύς Cl 2 (g), H 2 O 2 (aq), Fe 3+ (aq) αύξουσα αναγωγική ισχύς H 2 (g), Al(s), Cu(s) - βρίσκουμε τα E o red των ημιαντιδράσεων αναγωγής τους Cl 2 (g) + 2e 2Cl (aq) E o red = +1.36 V H 2 O 2 (aq) + 2H + (aq) + 2e 2H 2 O(l) E o red = +1.78 V Fe 3+ (aq) + e Fe 2+ (aq) E o red = +0.77 V - όσο πιο θετικό E o red, τόσο πιο ισχυρό οξειδωτικό μέσο είναι η οξειδωμένη μορφή - επομένως, η αύξουσα σειρά οξειδωτικής ισχύος είναι Fe 3+ (aq) < Cl 2 (g) < H 2 O 2 (aq) - βρίσκουμε τα E o red των ημιαντιδράσεων αναγωγής τους 2H + (aq) + 2e H 2 (g) Al 3+ (g) + 3e Al(s) Cu 2+ (aq) + 2e Cu(aq) E o red = 0.00 V E o red = -1.66 V E o red = +0.34 V - όσο πιο αρνητικό E o red, τόσο πιο ισχυρό αναγωγικό μέσο είναι η ανηγμένη μορφή - επομένως, η αύξουσα σειρά αναγωγικής ισχύος είναι Cu(aq) < H 2 (g) < Al(s)

91 E o red ηλεκτροδίων και υπολογισμός E o cell γαλβανικού στοιχείου Ε2. E o red ηλεκτροδίων και υπολογισμός E o cell γαλβανικού στοιχείου 1. το Ε ο cell ενός γαλβανικού στοιχείου μπορεί να υπολογιστεί από τα E o red των ηλεκτροδίων του στοιχείου 2. θεωρώντας τη διαγραμματική αναπαράσταση ενός στοιχείου ισχύει ότι: α. το ηλεκτρόδιο στα δεξιά είναι η κάθοδος β. το ηλεκτρόδιο στα αριστερά είναι η άνοδος 3. επομένως: E o cell = Ε ο red(ηλεκτρόδιο δεξιά) Ε ο red(ηλεκτρόδιο αριστερά) = Ε ο red(cathode) Ε ο red(anode)

92 Να υπολογιστεί το E cell στους 25 C του γαλβανικού στοιχείου που βασίζεται στην αντίδραση Al(s) + NO 3 (aq) + 4H + (aq) Al 3+ (aq) + NO(g) + 2H 2 O(l) 1. από τη συνολική αντίδραση, προσδιορίζουμε τα ηλεκτρόδια στα οποία συμβαίνουν οι ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής άνοδος-οξείδωση Al(s) Al 3+ (aq) + 3e κάθοδος-αναγωγή NO 3 (aq) + 4H + (aq) + 3e NO(g) + 2H 2 O(l) 2. βρίσκουμε τα E ο red των αντίστοιχων ημιαντιδράσεων αναγωγής για τα 2 ηλεκτρόδια - το ηλεκτρόδιο καθόδου αναμένεται να έχει πιο θετικό E o red από το ηλεκτρόδιο ανόδου άνοδος-αναγωγή Al 3+ (aq) + 3e Al(s) E red = 1.66 V κάθοδος-αναγωγή NO 3 (aq) + 4H + (aq) + 3e NO(g) + 2H 2 O(l) E red = +0.96 V 3. από τα E o red των 2 ηλεκτροδίων, υπολογίζουμε το E ο cell του στοιχείου E cell = E red (cathode) - E red (anode) = (+0.96 V) - (-1.66 V) = +2.62 V

Να υπολογιστεί το E cell στους 25 C του γαλβανικού στοιχείου Al(s) Al 3+ (aq) Fe 2+ (aq) Fe(s) Να βρεθεί η αντίδραση του στοιχείου. 93 1. από το διάγραμμα του στοιχείου, προσδιορίζουμε τα ηλεκτρόδια στα οποία συμβαίνουν οι ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής αριστερά-άνοδος-οξείδωση Al(s) Al 3+ (aq) + 3e δεξιά-κάθοδος-αναγωγή Fe 2+ (aq) + 2e Fe(s) 2. βρίσκουμε τα E ο red των αντίστοιχων ημιαντιδράσεων αναγωγής για τα 2 ηλεκτρόδια - το ηλεκτρόδιο καθόδου αναμένεται να έχει πιο θετικό E o red από το ηλεκτρόδιο ανόδου άνοδος-αναγωγή Al 3+ (aq) + 3e Al(s) E red = -1.66 V κάθοδος-αναγωγή Fe 2+ (aq) + 2e Fe(s) E red = -0.41 V 3. από τα E o red των 2 ηλεκτροδίων, υπολογίζουμε το E ο cell του στοιχείου E cell = E red (cathode) - E red (anode) = (-0.41 V) - (-1.66 V) = +1.25 V

Να υπολογιστεί το E cell στους 25 C του γαλβανικού στοιχείου Al(s) Al 3+ (aq) Fe 2+ (aq) Fe(s) Να βρεθεί η αντίδραση του στοιχείου. 94 4. από τις ημιαντιδράσεις των ηλεκτροδίων βρίσκουμε την αντίδραση του στοιχείου - ισοσταθμίζουμε τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ημιαντιδράσεων - προσθέτουμε τις ημιαντιδράσεις άνοδος-οξείδωση Al(s) Al 3+ (aq) + 3e κάθοδος-αναγωγή Fe 2+ (aq) + 2e Fe(s) 2 { Al(s) Al 3+ (aq) + 3e 3 { Fe 2+ (aq) + 2e Fe(s) 2Al(s) + 3Fe 2+ (aq) 2Al 3+ (aq) + 3Fe(s)

Δίνεται το γαλβανικό στοιχείο Fe(s) Fe 2+ (aq) Pb 2+ (aq) Pb(s) Να βρεθούν το E cell στους 25 C και η αντίδραση του στοιχείου και να σχεδιαστεί το στοιχείο. 95 1. από το διάγραμμα του στοιχείου, προσδιορίζουμε τα ηλεκτρόδια στα οποία συμβαίνουν οι ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής αριστερά-άνοδος-οξείδωση Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2e δεξιά-κάθοδος-αναγωγή Pb 2+ (aq) + 2e Pb(s) 2. βρίσκουμε τα E ο red των αντίστοιχων ημιαντιδράσεων αναγωγής για τα 2 ηλεκτρόδια - το ηλεκτρόδιο καθόδου αναμένεται να έχει πιο θετικό E o red από το ηλεκτρόδιο ανόδου άνοδος-αναγωγή Fe 2+ (aq) + 2e Fe(s) E red = -0.45 V κάθοδος-αναγωγή Pb 2+ (aq) + 2e Pb(s) E red = -0.13 V 3. από τα E o red των 2 ηλεκτροδίων, υπολογίζουμε το E ο cell του στοιχείου E cell = E red (cathode) - E red (anode) = (-0.13 V) - (-0.45 V) = +0.32 V

Δίνεται το γαλβανικό στοιχείο Fe(s) Fe 2+ (aq) Pb 2+ (aq) Pb(s) Να βρεθούν το E cell στους 25 C και η αντίδραση του στοιχείου και να σχεδιαστεί το στοιχείο. 96 4. από τις ημιαντιδράσεις των ηλεκτροδίων βρίσκουμε την αντίδραση του στοιχείου - ισοσταθμίζουμε τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ημιαντιδράσεων - προσθέτουμε τις ημιαντιδράσεις άνοδος-οξείδωση Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2e κάθοδος-αναγωγή Pb 2+ (aq) + 2e Pb(s) Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2e Pb 2+ (aq) + 2e Pb(s) Fe(s) + Pb 2+ (aq) Fe 2+ (aq) + Pb(s) 5. το σχεδιάγραμμα του στοιχείου είναι:

Όξινα διαλύματα MnO 4- (aq) και Cr 2 O 7 2- (aq) χρησιμοποιούνται ως διαλύματα ημιστοιχείων σε γαλβανικό στοιχείο με ηλεκτρόδια Pt. Να σχεδιαστεί το στοιχείο, και να βρεθούν το E cell, η αντίδραση και ο διαγραμματικός συμβολισμός του στοιχείου. 97 1. βρίσκουμε τα E ο red των ημιαντιδράσεων αναγωγής για τα 2 ηλεκτρόδια MnO 4 (aq) + 8H + 5e Mn 2+ (aq) + 4H 2 O(l) E red = +1.51 V Cr 2 O 7 2 (aq) + 14H + (aq) + 6e 2Cr 3+ (s) + 7H 2 O(l) E red = +1.33 V - ταυτόχρονα, σχεδιάζουμε το στοιχείο (αρχικά, τα 2 ημιστοιχεία) 2. σε ένα γαλβανικό στοιχείο, ισχύει ότι E o cell > 0 και το ηλεκτρόδιο με το πιο θετικό E o red είναι η κάθοδος - Ε ο red(mno 4- /Mn 2+ ) > E o red(cr 2 O 7 2- /Cr 3+ ) τα ηλεκτρόνια ρέουν από το ηλεκτρόδιο Cr (άνοδος-αριστερά-οξείδωση) προς το ηλεκτρόδιο Mn (κάθοδος-δεξιά-αναγωγή) 3. από τα E o red των 2 ηλεκτροδίων, υπολογίζουμε το E ο cell του στοιχείου E cell = E red (cathode) - E red (anode) = (+1.51 V) - (+1.33 V) = +0.18 V

98 Όξινα διαλύματα MnO 4- (aq) και Cr 2 O 7 2- (aq) χρησιμοποιούνται ως διαλύματα ημιστοιχείων σε γαλβανικό στοιχείο με ηλεκτρόδια Pt. Να σχεδιαστεί το στοιχείο, και να βρεθούν το E cell, η αντίδραση και ο διαγραμματικός συμβολισμός του στοιχείου. 4. από τις ημιαντιδράσεις των ηλεκτροδίων βρίσκουμε την αντίδραση του στοιχείου άνοδος-οξείδωση 2Cr 3+ (aq) + 7H 2 O(l) Cr 2 O 7 2 (aq) + 14H + (aq) + 6e κάθοδος-αναγωγή MnO 4 (aq) + 8H + +5e Mn 2+ (aq) + 4H 2 O(l) - ισοσταθμίζουμε τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ημιαντιδράσεων - προσθέτουμε τις ημιαντιδράσεις 5 { 2Cr 3+ (aq) + 7H 2 O(l) Cr 2 O 7 2 (aq) + 14H + (aq) + 6e 6 { MnO 4 (aq) + 8H + + 5e Mn 2+ (aq) + 4H 2 O(l) 6MnO 4 (aq) + 10Cr 3+ (aq) + 11H 2 O(l) 6Mn 2+ (aq) + 5Cr 2 O 7 2 (aq) + 22H + (aq)

Όξινα διαλύματα MnO 4- (aq) και Cr 2 O 7 2- (aq) χρησιμοποιούνται ως διαλύματα ημιστοιχείων σε γαλβανικό στοιχείο με ηλεκτρόδια Pt. Να σχεδιαστεί το στοιχείο, και να βρεθούν το E cell, η αντίδραση και ο διαγραμματικός συμβολισμός του στοιχείου. 99 5. ο διαγραμματικός συμβολισμός του στοιχείου είναι: άνοδος-αριστερά: ηλεκτρόδιο Cr κάθοδος-δεξιά: ηλεκτρόδιο Mn Pt(s) Cr 2 O 7 2- (aq),cr 3+ (aq), H + (aq) H + (aq),mno 4- (aq),mn 2+ (aq) Pt(s)

100 Το E o cell του στοιχείου Zn(s) Zn 2+ (aq) Sn 4+ (aq),sn 2+ (aq) Pt(s) είναι +0.91 V. Αν το Ε ο red του ηλεκτροδίου Zn 2+ /Zn είναι -0.76 V, ποιο είναι το E o red του ηλεκτροδίου Sn 4+ /Sn 2+ ; 1. από το διάγραμμα του στοιχείου, προσδιορίζουμε τα ηλεκτρόδια στα οποία συμβαίνουν οι ημιαντιδράσεις οξείδωσης (στην άνοδο-αριστερά) και αναγωγής (στην κάθοδο-δεξιά) οξείδωση-άνοδος-δεξιά Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e αναγωγή-κάθοδος-αριστερά Sn 4+ (aq) + 2e Sn 2+ (aq) 2. βρίσκουμε τα E ο red των αντίστοιχων ημιαντιδράσεων αναγωγής για τα 2 ηλεκτρόδια άνοδος-αναγωγή Zn 2+ (aq) + 2e Zn(s) E red = -0.76 V κάθοδος-αναγωγή Sn 4+ (aq) + 2e Sn 2+ (aq) E red 3. από το E o cell και το E o red(anode), υπολογίζουμε το E ο red(cathode) = E ο red(sn 4+ /Sn 2+ ) - το ηλεκτρόδιο καθόδου, αναμένεται να έχει πιο θετικό E o red από το E o red(zn 2+ /Zn) E cell = E red (cathode) - E red (anode) E red (cathode) = E cell + E red (anode) = (+0.91 V) + (-0.76 V) = +0.15 V

101 πρόβλεψη αυθόρμητης κατεύθυνσης αντίδρασης οξειδοαναγωγής Ε3. E o red ηλεκτροδίων και πρόβλεψη αυθόρμητης κατεύθυνσης αντίδρασης οξειδοαναγωγής 1. το αυθόρμητο μιας αντίδρασης οξειδοαναγωγής μπορεί να προσδιοριστεί από τα E o red των 2 ημιαντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής που συνιστούν τη συνολική αντίδραση 2. θεωρώντας ότι οι 2 ημιαντιδράσεις συμβαίνουν στα αντίστοιχα ηλεκτρόδια ενός υποτιθέμενου στοιχείου, υπολογίζουμε την E o cell του στοιχείου και: α. αν Ε ο cell > 0, η προς τα δεξιά αντίδραση του στοιχείου είναι αυθόρμητη β. αν Ε ο cell < 0, η προς τα αριστερά αντίδραση του στοιχείου είναι αυθόρμητη

Να προσδιοριστεί η αυθόρμητη κατεύθυνση της αντίδρασης Zn 2+ (aq) + 2Fe 2+ (aq) Zn(s) + 2Fe 3+ (aq). 102 1. θεωρούμε ένα γαλβανικό στοιχείο που βασίζεται στην αντίδραση αυτή και προσδιορίζουμε τις ημιαντιδράσεις και τα αντίστοιχα ηλεκτρόδια στα οποία αυτές συμβαίνουν άνοδος-οξείδωση Fe 2+ (aq) Fe 3+ (aq) + e κάθοδος-αναγωγή Zn 2+ (aq) + 2e Zn(s) 2. βρίσκουμε τα E ο red των αντίστοιχων ημιαντιδράσεων αναγωγής για τα 2 ηλεκτρόδια άνοδος-αναγωγή Fe 3+ (aq) + e Fe 2+ (aq) E red = +0.77 V κάθοδος-αναγωγή Zn 2+ (aq) + 2e Zn(s) E red = -0.76 V 3. από τα E o red των 2 ηλεκτροδίων, υπολογίζουμε το E ο cell του στοιχείου E cell = E red (cathode) - E red (anode) = (-0.76 V) - (+0.77 V) = -1.53 V επειδή E o cell <0, η προς τα αριστερά αντίδραση είναι αυθόρμητη

Να προσδιοριστεί η αυθόρμητη κατεύθυνση της αντίδρασης Mn(s) + Ni 2+ (aq) Ni(s) + Mn 2+ (aq). Να σχεδιαστεί το γαλβανικό στοιχείο με την αυθόρμητη αντίδραση και να δοθεί η διαγραμματική του αναπαράσταση. 103 1. θεωρούμε ένα γαλβανικό στοιχείο που βασίζεται στην αντίδραση αυτή και προσδιορίζουμε τις ημιαντιδράσεις και τα αντίστοιχα ηλεκτρόδια στα οποία αυτές συμβαίνουν άνοδος-οξείδωση Mn(s) Mn 2+ (aq) + 2e κάθοδος-αναγωγή Ni 2+ (aq) + 2e Ni(s) 2. βρίσκουμε τα E ο red των αντίστοιχων ημιαντιδράσεων αναγωγής για τα 2 ηλεκτρόδια άνοδος-αναγωγή Mn 2+ (aq) + 2e Mn(s) E red = -1.18 V κάθοδος-αναγωγή Ni 2+ (aq) + 2e Ni(s) E red = -0.23 V 3. από τα E o red των 2 ηλεκτροδίων, υπολογίζουμε το E ο cell του στοιχείου E cell = E red (cathode) - E red (anode) = (-0.23 V) - (-1.18 V) = +0.95 V επειδή E o cell >0, η προς τα δεξιά αντίδραση είναι αυθόρμητη

Να προσδιοριστεί η αυθόρμητη κατεύθυνση της αντίδρασης Mn(s) + Ni 2+ (aq) Ni(s) + Mn 2+ (aq). Να σχεδιαστεί το γαλβανικό στοιχείο με την αυθόρμητη αντίδραση και να δοθεί η διαγραμματική του αναπαράσταση. 104 4. εφόσον - άνοδος είναι το ηλεκτρόδιο Mn 2+ /Mn - κάθοδος είναι το ηλεκτρόδιο Ni 2+ /Ni - τα ηλεκτρόνια ρέουν από την άνοδο προς την κάθοδο το σχεδιάγραμμα του γαλβανικού στοιχείου είναι: 5. η διαγραμματική αναπαράσταση του γαλβανικού στοιχείου είναι Mn(s) Mn 2+ (aq) Ni 2+ (aq) Ni(s)

Να προσδιοριστεί η αυθόρμητη κατεύθυνση της αντίδρασης Fe(s) + Mg 2+ (aq) Fe 2+ (aq) + Mg(s). Να σχεδιαστεί το γαλβανικό στοιχείο με την αυθόρμητη αντίδραση και να δοθεί η διαγραμματική του αναπαράσταση. 105 1. θεωρούμε ένα γαλβανικό στοιχείο που βασίζεται στην αντίδραση αυτή και προσδιορίζουμε τις ημιαντιδράσεις και τα αντίστοιχα ηλεκτρόδια στα οποία αυτές συμβαίνουν άνοδος-οξείδωση Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2e κάθοδος-αναγωγή Mg 2+ (aq) + 2e Mg(s) 2. βρίσκουμε τα E ο red των αντίστοιχων ημιαντιδράσεων αναγωγής για τα 2 ηλεκτρόδια άνοδος-αναγωγή Fe 2+ (aq) + 2e Fe(s) E red = -0.45 V κάθοδος-αναγωγή Mg 2+ (aq) + 2e Mg(s) E red = -2.37 V 3. από τα E o red των 2 ηλεκτροδίων, υπολογίζουμε το E ο cell του στοιχείου E cell = E red (cathode) - E red (anode) = (-2.37 V) - (-0.45 V) = -1.92 V επειδή E o cell <0, η προς τα αριστερά αντίδραση είναι αυθόρμητη

Να προσδιοριστεί η αυθόρμητη κατεύθυνση της αντίδρασης Fe(s) + Mg 2+ (aq) Fe 2+ (aq) + Mg(s). Να σχεδιαστεί το γαλβανικό στοιχείο με την αυθόρμητη αντίδραση και να δοθεί η διαγραμματική του αναπαράσταση. 106 4. εφόσον - άνοδος είναι το ηλεκτρόδιο Mg 2+ /Mg - κάθοδος είναι το ηλεκτρόδιο Fe 2+ /Fe - τα ηλεκτρόνια ρέουν από την άνοδο προς την κάθοδο το σχεδιάγραμμα του γαλβανικού στοιχείου είναι: 5. η διαγραμματική αναπαράσταση του γαλβανικού στοιχείου είναι Mg(s) Mg 2+ (aq) Fe 2+ (aq) Fe(s)

πρόβλεψη διάλυσης ενός μετάλλου σε οξύ 107 3. με ανάλογο τρόπο, μπορούμε να προσδιορίσουμε αν ένα μέταλλο διαλύεται σε ένα οξύ 4. κατά τη διάλυση ενός μετάλλου Μ(s) σε ένα οξύ ΗΑ(aq), συμβαίνει μια αντίδραση οξειδοαναγωγής π.χ. ο Zn(s) διαλύεται στο HCl(aq) λόγω της αντίδρασης Zn(s) + H + (aq) Zn 2+ (aq) + H 2 (g) 5. η αντίδραση βασίζεται σε 2 ημιαντιδράσεις - οξείδωσης Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e - αναγωγής 2H + (aq) + 2e H 2 (aq) 6. θεωρώντας ότι οι ημιανατιδράσεις συμβαίνουν στα αντίστοιχα ηλεκτρόδια ενός υποτιθέμενου γαλβανικού στοιχείου, η διάλυση του Μ(s) αντιστοιχεί σε μια αυθόρμητη αντίδραση στοιχείου με Ε ο cell > 0 Ε o red(cathode) E o red(anode) > 0 Ε o red(cathode) > E o red(anode) Ε o red(η + /Η 2 ) > E o red(zn 2+ /Zn)

108 πρόβλεψη διάλυσης ενός μετάλλου σε οξύ 7. έτσι, ένα μέταλλο Μ(s) σε ένα οξύ: - διαλύεται (οξειδώνεται) όταν E o red(μ n+ /M) < Ε o red(η + /Η 2 ) = 0.0 V π.χ. Zn Ε o red(zn 2+ /Zn) = -0.76 V - δεν διαλύεται (δεν οξειδώνεται) όταν E o red(μ n+ /M) > Ε o red(η + /Η 2 ) = 0.0 V π.χ. Cu Ε o red(cu 2+ /Cu) = +0.34 V 8. τα παραπάνω δεν ισχύουν για το HNO 3 : α. το HNO 3 οξειδώνει και Μ με E o red(μ n+ /M) > 0.0 V μπορεί να οξειδώσει Μ που δεν οξειδώνονται από το HCl π.χ. Cu Ε o red(cu 2+ /Cu) = +0.34 V β. η οξείδωση του Μ προκαλείται από μια διαφορετική ημιαντίδρασης αναγωγής με μεγαλύτερο E o red NO 3 (aq) + 4H + (aq) + 3e 7NO(g) + 2H 2 O(l) E o red = +0.96 V

109 E o cell και ΔG o r λή ελεύθερης ενέργειας Gibbs αντίδρασης στοιχείου ΣΤ. δυναμικό στοιχείου, μεταβολή ελεύθερη ενέργεια Gibbs και σταθερά ισορροπίας αντίδρασης στοιχείου 1. σε ένα γαλβανικό στοιχείο σε πρότυπες συνθήκες, για την αυθόρμητη (προς τα δεξιά) αντίδραση ισχύει ότι: - δυναμικό στοιχείου E ο cell > 0 - μεταβολή ελεύθερης ενέργειας της αντίδρασης του στοιχείου ΔG ο r < 0 - σταθερά ισορροπίας της αντίδρασης του στοιχείου K > 1 2. για τη μη αυθόρμητη (προς τα αριστερά) αντίδραση του στοιχείου ισχύει ότι E ο cell < 0, ΔG ο r > 0, K < 1 3. η σχέση που συνδέει τα E o cell και ΔG ο r της αντίδρασης του στοιχείου είναι ΔG ο r = nfe ο cell όπου -n είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μεταφέρονται - F = 96485 C/mol δηλαδή, από την E ο cell ενός στοιχείου μπορούμε να υπολογίσουμε τη ΔG ο r της αντίδρασης του στοιχείου

Να υπολογιστεί η ΔG o της αντίδρασης I 2 (s) + 2Br (aq) Br 2 (l) + 2 I (aq). Είναι η αντίδραση αυθόρμητη ή μη αυθόρμητη; 110 1. θεωρούμε ένα γαλβανικό στοιχείο που βασίζεται στην αντίδραση αυτή και προσδιορίζουμε τις ημιαντιδράσεις και τα αντίστοιχα ηλεκτρόδια στα οποία αυτές συμβαίνουν άνοδος-οξείδωση 2Br (aq) Br 2 (l) + 2e 2. βρίσκουμε τα E ο red των αντίστοιχων ημιαντιδράσεων αναγωγής για τα 2 ηλεκτρόδια 3. από τα E o red των 2 ηλεκτροδίων, υπολογίζουμε το E ο cell του στοιχείου E cell = E red (cathode) - E red (anode) = (+0.54 V) - (+1.09 V) = -0.55 V 4. η ΔG o r της αντίδρασης είναι κάθοδος-αναγωγή I 2 (l) + 2e 2I (aq) άνοδος-αναγωγή Br 2 (l) + 2e 2Br (aq) E red = +1.09 V κάθοδος-αναγωγή I 2 (l) + 2e 2I (aq) E red = +0.54 V ΔG o r = -nfδε o cell = -(2) (96458 C/mol) (-0.55 J/V) = +1.1 10 5 J/mol αφού ΔG o r > 0, η προς τα δεξιά αντίδραση είναι μη αυθόρμητη σε πρότυπες συνθήκες

111 πρότυπο δυναμικού στοιχείου E o cell και σταθερά ισορροπίας Κ αντίδρασης στοιχείου 3. η σχέση που συνδέει τα E o cell και Κ της αντίδρασης του στοιχείου προσδιορίζεται ως εξής o ΔG RTlnK r ο nfe RTlnK cell ο RT Ecell lnk nf ο nfecell lnk RT όπου - n είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μεταφέρονται - F = 96485 C/mol - R = 8.314 J/(mol K) - T = 298.15 K (25 ο C) α. λόγω του ότι το Κ αυξάνεται εκθετικά με το E o cell : - μια αντίδραση με μεγάλο θετικό E o cell έχει Κ >> 1 - μια αντίδραση με μικρό αρνητικό E o cell έχει Κ << 1 β. από την E ο cell ενός στοιχείου μπορούμε να υπολογίσουμε τη σταθερά ισορροπίας Κ της αντίδρασης του στοιχείου

Να υπολογιστεί η σταθερά ισορροπίας Κ της αντίδρασης του γαλβανικού στοιχείου Zn(s) Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) Cu(s) σε πρότυπες συνθήκες και 25 o C. 112 1. από το διάγραμμα του στοιχείου, προσδιορίζουμε τα ηλεκτρόδια στα οποία συμβαίνουν οι ημιαντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής άνοδος-οξείδωση Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e κάθοδος-αναγωγή Cu 2+ (aq) + 2e Cu(s) 2. βρίσκουμε τα E ο red των αντίστοιχων ημιαντιδράσεων αναγωγής για τα 2 ηλεκτρόδια άνοδος-αναγωγή Zn 2+ (aq) + 2e Zn(s) E red = -0.76 V κάθοδος-αναγωγή Cu 2+ (aq) + 2e Cu(s) E red = +0.34 V 3. από τα E o red των 2 ηλεκτροδίων, υπολογίζουμε το E ο cell του στοιχείου E cell = E red (cathode) - E red (anode) = (+0.34 V) - (-0.76 V) = +1.10 V 4. η σταθερά ισορροπίας Κ της αντίδρασης είναι ο nfe cell (2) (96485 C/mol) ( 1.10 V) lnk 85.6 K e 2 10 RT (8.314 J/(mol K)) (298.15 K) αφού Ε ο cell >, ισχύει ότι Κ >> 1 σε πρότυπες συνθήκες 85.6 37

113 δυναμικό στοιχείου E cell σε πρότυπες συνθήκες εξίσωση του Nernst Ζ. δυναμικό στοιχείου σε μη πρότυπες συνθήκες εξίσωση του Nernst 1. σε πρότυπες συνθήκες συγκέντρωσης, το Ε o cell ενός γαλβανικού στοιχείου μπορεί να υπολογιστεί από τα E o red των ηλεκτροδίων του στοιχείου π.χ. για το στοιχείο Daniel Zn(s) + Cu 2+ (aq,1.0m) Zn 2+ (aq,1.0m) + Cu(s) E o cell = +1.10 V

114 δυναμικό στοιχείου E cell σε μη πρότυπες συνθήκες 2. για ένα γαλβανικό στοιχείο σε μη πρότυπες συνθήκες συγκέντρωσης ισχύει ότι E cell E o cell π.χ. για το στοιχείο Daniel Zn(s) + Cu 2+ (aq,2.0m) Zn 2+ (aq,0.01m) + Cu(s) E cell = +1.17 V αφού στα αντιδρώντα [Cu 2+ ] > 1 M και στα προϊόντα [Zn 2+ ] < 1 M, σύμφωνα με την αρχή του Le Chatelier, η αντίδραση έχει μεγαλύτερη τάση να συμβεί αναμένεται να είναι ότι E cell > E cell

115 εξίσωση του Nernst 3. η τιμή του E cell ενός γαλβανικού στοιχείου σε μη πρότυπες συνθήκες μπορεί να υπολογιστεί μέσω της E o cell του στοιχείου σε πρότυπες συνθήκες ως εξής: α. για τις συγκεντρώσεις των χημικών ειδών στα ημιστοιχεία ορίζεται ο λόγος αντίδρασης Q β. ο λόγος αντίδρασης Q σχετίζεται με τη μεταβολή ελεύθερης ενέργειας ΔG της αντίδρασης ως: o ΔG ΔG RTlnQ όπου ΔG o r σε πρότυπες συνθήκες γ. από τη σχέση αυτή προκύπτει r ο 0.0592 V Ecell Ecell logq n η σχέση αυτή ονομάζεται εξίσωση του Nernst και χρησιμοποιείται για το υπολογισμό του E cell ενός στοιχείου σε μη πρότυπες συνθήκες r ο nfe nfe RTlnQ cell ο RT Ecell Ecell lnq nf ο (8.314 J/(mol K) (298.15 K) Ecell Ecell 2.303 logq n (96.458 C/mol) cell

116 Να υπολογιστεί το E cell του στοιχείου που βασίζεται στην αντίδραση 3Cu(s) + 2MnO 4 (aq) + 8H + (aq) 2MnO 2 (s) + 3Cu 2+ (aq) + 4H 2 O(l) με συγκεντρώσεις [Cu 2+ ] = 0.010 M, [MnO 4 ] = 2.0 M, [H + ] = 1.0 M στους 25 ο C. 1. θεωρούμε ένα γαλβανικό στοιχείο που βασίζεται στην αντίδραση αυτή και προσδιορίζουμε τις ημιαντιδράσεις και τα αντίστοιχα ηλεκτρόδια στα οποία αυτές συμβαίνουν άνοδος-οξείδωση Cu(s) Cu 2+ (aq) + 2e κάθοδος-αναγωγή MnO 4 (aq) + 4H + + 3e MnΟ 2 (s) + 2H 2 O(l) 2. βρίσκουμε τα E ο red των αντίστοιχων ημιαντιδράσεων αναγωγής για τα 2 ηλεκτρόδια άνοδος-αναγωγή Cu 2+ (aq) + 2e Cu(s) E red = +0.34 V κάθοδος-αναγωγή MnO 4 (aq) + 4H + + 3e MnΟ 2 (s) + 2H 2 O(l) E red = +1.68 V 3. από τα E o red των 2 ηλεκτροδίων, υπολογίζουμε το E ο cell του στοιχείου E cell = E red (cathode) - E red (anode) = (+1.68 V) - (+0.34 V) = +1.34 V

117 Να υπολογιστεί το E cell του στοιχείου που βασίζεται στην αντίδραση 3Cu(s) + 2MnO 4 (aq) + 8H + (aq) 2MnO 2 (s) + 3Cu 2+ (aq) + 4H 2 O(l) με συγκεντρώσεις [Cu 2+ ] = 0.010 M, [MnO 4 ] = 2.0 M, [H + ] = 1.0 M στους 25 ο C. 4. από τις ημιαντιδράσεις των ηλεκτροδίων βρίσκουμε την αντίδραση του στοιχείου και τα ηλεκτρόνια που μετακινούνται (n) άνοδος-οξείδωση Cu(s) Cu 2+ (aq) + 2e κάθοδος-αναγωγή MnO 4 (aq) + 4H + + 3e MnΟ 2 (s) + 2H 2 O(l) - ισοσταθμίζουμε τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ημιαντιδράσεων - προσθέτουμε τις ημιαντιδράσεις 3 { Cu(s) Cu 2+ (aq) + 2e 2 {MnO 4 (aq) + 4H + + 3e MnΟ 2 (s) + 2H 2 O(l) 3Cu(s) + 2MnO 4 2 (aq) + 8H + (aq) 3Cu 2+ (aq) + 2MnO 4 (s) + 4H 2 O(aq)

118 Να υπολογιστεί το E cell του στοιχείου που βασίζεται στην αντίδραση 3Cu(s) + 2MnO 4 (aq) + 8H + (aq) 2MnO 2 (s) + 3Cu 2+ (aq) + 4H 2 O(l) με συγκεντρώσεις [Cu 2+ ] = 0.010 M, [MnO 4 ] = 2.0 M, [H + ] = 1.0 M στους 25 ο C. 5. το δυναμικό του στοιχείου E cell στις συγκεκριμένες συνθήκες είναι ο 0.0592 V Ecell Ecell logq n 0.0592 V [Cu ] E E log 2 3 ο cell cell 3 8 n [MnO 4 ] [H ] 3 0.0592 V [0.010] Ecell 1.34 V log 3 8 6 [2.0] [1.0] E cell 1.41 V αφού στα αντιδρώντα [MnO 4 ] > 1 M και στα προϊόντα [Cu 2+ ] < 1 M, σύμφωνα με την αρχή του Le Chatelier, αναμένεται ότι E cell > E cell

119 δυναμικό στοιχείου E cell σε μη πρότυπες συνθήκες 4. σε ένα γαλβανικό στοιχείο: α. σε πρότυπες συνθήκες, εφόσον οι συγκεντρώσεις όλων των ειδών είναι ίσες με 1 M, τότε Q = 1 κι επομένως ο 0.0592 V ο Ecell Ecell log1 Ecell n β. σε λειτουργία, εφόσον οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων ελαττώνονται και των προϊόντων αυξάνονται, τότε Q > 1 κι επομένως E cell < E o cell γ. σε ισορροπία, εφόσον η αντίδραση δεν έχει τάση να συμβεί σε κάποια κατεύθυνση, τότε Q = K κι επομένως ο 0.0592 V ο ο Ecell Ecell logk Ecell Ecell 0 n μια «χαλασμένη» μπαταρία είναι ένα γαλβανικό στοιχείο σε ισορροπία ένα στοιχείο δημιουργεί Ε o cell = 0 μεταξύ των ηλεκτροδίων του και η αντίδραση δεν μπορεί να παράγει έργο

120 γαλβανικά στοιχεία εκ διαφοράς συγκέντρωσης ΙΒ. γαλβανικά στοιχεία εκ διαφοράς συγκέντρωσης 1. γενικά, το δυναμικό ενός γαλβανικού στοιχείου εξαρτάται από: α. τις ημιαντιδράσεις των 2 ημιστοιχείων β. τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και προϊόντων σε κάθε ημιστοιχείο 2. επομένως, μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα γαλβανικό στοιχείο το οποίο: α. χρησιμοποιεί 2 ίδια ημιστοιχεία β. έχει διαφορετικές συγκεντρώσεις ηλεκτρολυτών στα ημιστοιχεία του 3. ένα τέτοιο στοιχείο ονομάζεται γαλβανικό στοιχείο εκ διαφοράς συγκέντρωσης

121 γαλβανικά στοιχεία εκ διαφοράς συγκέντρωσης 4. το γαλβανικό στοιχείο Cu(s) Cu 2+ (aq,1.0 M) Cu 2+ (aq,1.0 M) Cu(s) έχει E o cell = 0 V λόγω του ότι οι συγκεντρώσεις των ηλεκτρολυτών στα 2 ημιστοιχεία είναι ίδιες, δεν υπάρχει κινητήρια δύναμη για κάποια μεταβολή

122 γαλβανικά στοιχεία εκ διαφοράς συγκέντρωσης 5. όμως, το γαλβανικό στοιχείο Cu(s) Cu 2+ (aq,0.010 M) Cu 2+ (aq,2.0 M) Cu(s) έχει E o cell = 0.068 V α. η κινητήρια δύναμη για την αυθόρμητη ροή ηλεκτρονίων είναι η αύξηση της εντροπίας του συστήματος β. αυτό επιτυγχάνεται έχοντας τις μέγιστες δυνατές συγκεντρώσεις [Cu 2+ (aq)] και στα 2 ημιστοιχεία γ. τα ηλεκτρόνια ρέουν: - από το ηλεκτρόδιο με το αραιό διάλυμα Cu 2+ (aq) 0.010 M (άνοδος-οξείδωση) όπου η [Cu 2+ (aq)] αυξάνεται - προς το ηλεκτρόδιο με το πιο πυκνό διάλυμα Cu 2+ (aq) 2.0 M (κάθοδος-αναγωγή) όπου η [Cu 2+ (aq)] ελαττώνεται δ. τελικά, οι συγκεντρώσεις [Cu 2+ (aq)] στα 2 ημιστοιχεία εξισώνονται

123 προσδιορισμός συγκέντρωσης ιόντος σε διάλυμα με γαλβανικό στοιχείο εκ διαφοράς συγκέντρωσης 6. ένα γαλβανικό στοιχείο εκ διαφοράς συγκέντρωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης ενός ιόντος σε ένα διάλυμα π.χ. α. στο γαλβανικό στοιχείο με 2 ηλεκτρόδια Ag + /Ag Ag(s) Ag + (aq, L M) Ag + (aq, R M) Ag(s) β. η συνολική αντίδραση είναι Ag + (aq, L M) Ag + (aq, R M) μεταφέρεται 1 e (= n) γ. αν [Ag + ] R = 1.0 Μ και [Ag + ] L = άγνωστη τότε το δυναμικό του στοιχείου E cell δίνεται από την εξίσωση Nernst ο 0.0592 V [Ag ] L cell cell L n [Ag ] R E E log (0.0592 V)log[Ag ] δ. επομένως, μετρώντας το E cell μπορούμε να προσδιορίσουμε την [Ag + ] L αν βρεθεί ότι E cell > 0 τότε [Ag + ] L < [Ag + ] R και το δεξί (R) ηλεκτρόδιο είναι η κάθοδος όπου συμβαίνει αναγωγή

124 επιλεκτικά ηλεκτρόδια ιόντων 7. με τη μέθοδο αυτή μπορούμε να προσδιορίσουμε το ph ενός διαλύματος με phμετρο α. phμετρο είναι μια συσκευή που αποτελείται από: i. ένα ηλεκτρόδιο ευαίσθητο στο [H + ] είναι ένα επιλεκτικό ηλεκτρόδιο ιόντος ii. ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς με γνωστή και σταθερή συγκέντρωση ιόντων β. για ένα συνδυασμό ηλεκτροδίων υδρογόνου και καλομέλανος στο στοιχείο Pt(s) H 2 (1 atm) H + (aq,? M) Cl (aq, 1 M) Hg 2 Cl 2 (s) Hg(l) 2H + (aq) + 2e H 2 (g) Hg 2 Cl 2 (s) + 2e 2Hg(l) + 2Cl Ε ο red = 0 V Ε ο red = +0.27 V η συνολική αντίδραση είναι Hg 2 Cl 2 (s) + H 2 (g) 2Hg(l) + 2Cl + 2H + (aq) γ. αν [Η + ] = άγνωστη και [Cl ] = γνωστή, τότε το δυναμικό του στοιχείου E cell δίνεται από την εξίσωση Nernst 2 2 0.0592 V [H ] [Cl ] ο Ecell Ecell log n P H 2

επιλεκτικά ηλεκτρόδια ιόντων 125 δ. επειδή πρόκειται για το SHE και [Cl ] = γνωστή και σταθερή 2 2 0.0592 V [H ] [Cl ] ο Ecell Ecell log n P ο Ecell 2 log[cl ] 2 log[h ] ' E cell (0.0592 V)log[H ] ' E (0.0592 V)pH cell ' Ecell Ecell ph 0.0592 V H 0.0592 V 0.0592 V 2 2 2 ε. επομένως, μετρώντας το E cell μπορούμε να προσδιορίσουμε το ph του διαλύματος

επιλεκτικά ηλεκτρόδια ιόντων 126 στ. λόγω του ότι το ηλεκτρόδιο υδρογόνου είναι δύσκολο στη χρήση του, χρησιμοποιείται ένα ηλεκτρόδιο υάλου i. είναι ένα σύρμα Ag/AgCl βυθισμένο σε ένα αραιό διάλυμα HCl με γνωστή [Cl ] ii. το διάλυμα HCl διαχωρίζεται από το προς μέτρηση διάλυμα με ένα βολβό με λεπτή γυάλινη μεμβράνη ο βολβός βυθίζεται στο προς μέτρηση διάλυμα iii. το δυναμικό του μεταβάλλεται γραμμικά με τη διαφορά του ph των διαλυμάτων στις 2 πλευρές τη γυάλινης μεμβράνης iv. βαθμονομείται με ρυθμιστικά διαλύματα με γνωστό ph ζ. συχνά, το ηλεκτρόδιο καλομέλανος είναι ενσωματωμένο

127 εφαρμογές γαλβανικών στοιχείων μπαταρίες

128 μπαταρίες ΙΙΙ. εφαρμογές γαλβανικών στοιχείων Α. μπαταρίες 1. η πιο γνωστή εφαρμογή των γαλβανικών στοιχείων είναι οι φορητές πηγές ενέργειας που ονομάζονται μπαταρίες 2. γενικά, μια ιδεατή μπαταρία πρέπει: α. να είναι χαμηλού κόστους, ασφαλής στη χρήση, και περιβαλλοντικά αβλαβής β. να διατηρεί ένα σταθερό δυναμικό για μεγάλο χρονικό διάστημα γ. να είναι χαμηλού βάρους και όγκου ο ηλεκτρολύτης να χρησιμοποιεί όσο το δυνατό μικρότερη ποσότητα νερού ελαττώνεται η πιθανότητα διαρροής ηλεκτρολύτη δ. να έχει μεγάλη πυκνότητα ενέργειας να αποθηκεύει μεγάλα ποσά ενέργειας ανά μονάδα μάζας μονάδες μέτρησης: kwh kg -1

129 πρωτογενείς μπαταρίες 3. διακρίνουμε 2 είδη μπαταριών α. πρωτογενείς β. δευτερογενείς 4. οι πρωτογενείς μπαταρίες είναι γαλβανικά στοιχεία μιας χρήσεως α. τα αντιδρώντα σώματα εγκλείονται στο στοιχείο σε ενεργή μορφή κατά την συναρμολόγησή του β. η αυθόρμητη χημική αντίδραση του στοιχείου μετατρέπει τα αντιδρώντα σε προϊόντα, με τρόπο μη αντιστρεπτό όταν τα αντιδρώντα καταναλωθούν, η μπαταρία αχρηστεύεται

130 ξηρά στοιχεία 5. η πιο συνήθης πρωτογενής μπαταρία είναι το ξηρό στοιχείο που χρησιμοποιείται ευρέως σε πολλές φορητές μικροσυσκευές α. αποτελείται από ένα κυλινδρικό δοχείο με υγρή πάστα NH 4 Cl(aq), MnO 2 (aq) σε άμυλο (ηλεκτρολύτης) ονομάζεται ξηρό γιατί περιέχει μικρή ποσότητα υγρού β. τα τοιχώματα του δοχείου είναι από Zn(s) (άνοδος) Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e γ. στο κέντρο του δοχείου υπάρχει ράβδος από γραφίτη C (κάθοδος) 2MnO 2 (s) + 2ΝΗ 4 Cl(aq) + 2e Mn 2 O 3 (s) + 2NH 3 (g) + H 2 O(l) + 2Cl (aq) - τα NH 3 (g) και Cl αντιδρούν με Zn 2+ προς Zn(NH 3 )Cl 2 εμποδίζουν τη συσσώρευση Zn 2+ (aq) και την ελάττωση του δυναμικού δ. η συνολική αντίδραση του στοιχείου είναι Zn(s) + 2MnO 2 (s) + 2NH 4 Cl(aq) Mn 2 O 3 (s) + Zn(NH 3 ) 2 Cl 2 (aq) + H 2 O(l) που παράγει δυναμικό 1.5 V

ξηρά στοιχεία 131 ε. ακόμα και όταν το στοιχείο είναι σε αδράνεια, το δοχείο από Zn(s) διαβρώνεται το ΝΗ 4+ του ηλεκτρολύτη έχει όξινο χαρακτήρα και δίνει Η + παρουσία Η 2 Ο το Η + αντιδρά με το Zn μέσω της Zn(s) + H + (aq) Zn 2+ (aq) + H 2 (g) παράγονται αέρια ΝΗ 3 (g) και Η 2 (g) στ. λόγω της επικινδυνότητας των βλαβερών για το περιβάλλον ουσιών που περιέχουν, γίνεται ανακύκλωση των ξηρών στοιχείων

132 αλκαλικά ξηρά στοιχεία 6. μια πρωτογενής μπαταρία που προσφέρει ένα πιο σταθερό και μεγαλύτερης χρονικής διάρκειας δυναμικό είναι το αλκαλικό ξηρό στοιχείο α. είναι ένα ξηρό στοιχείο με αλκαλικό ηλεκτρολύτη υγρή πάστα ΚΟΗ(aq) και MnO 2 (aq) β. οι ημιαντιδράσεις των ημιστοιχείων είναι: - άνοδος Zn(s) + 2ΟΗ (aq) ZnΟ(s) + H 2 O(l) + 2e - κάθοδος 2MnO 2 (s) + 2H 2 O(l) + 2e 2Mn(ΟΗ) 2 (s) + 2ΟΗ (aq) γ. η συνολική αντίδραση του στοιχείου είναι Zn(s) + 2MnO 2 (s) ZnΟ(s) + 2Mn(ΟΗ) 2 (s) παράγει δυναμικό 1.5 V δ. το στοιχείο έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής ο αλκαλικός δεν αντιδρά με το ηλεκτρόδιο Ζn

δευτερογενείς μπαταρίες 133 7. οι δευτερογενείς μπαταρίες είναι γαλβανικά στοιχεία που επαναφορτίζονται α. τα αντιδρώντα σώματα εγκλείονται στο στοιχείο σε ανενεργή μορφή κατά την συναρμολόγησή του β. εφαρμόζεται μια εξωτερική ηλεκτρική πηγή που προκαλεί τη μη αυθόρμητη αντίδραση του στοιχείου να συμβεί ηλεκτρική ενέργεια αποθηκεύεται με τη μορφή μίγματος αντιδρώντων (φόρτιση) γ. το μίγμα αντιδρώντων δίνει την αυθόρμητη αντίδραση του στοιχείου δ. αφού τα αντιδρώντα καταναλωθούν, το στοιχείο επαναφορτίζεται

μπαταρία μολύβδου-οξέος 134 8. ο πιο παλαιός τύπος δευτερογενούς μπαταρίας είναι το στοιχείο μολύβδου-οξέος, που χρησιμοποιείται στα αυτοκίνητα α. αποτελείται από μεταλλικά πλέγματα-ηλεκτρόδια βυθισμένα σε 30% H 2 SO 4 (aq) (ηλεκτρολύτης) β. ως άνοδος δρα ένα ηλεκτρόδιο Pb Pb(s) + ΗSO 4 (aq) PbSO 4 (s) + Η + (aq) + 2e γ. ως κάθοδος δρα ένα ηλεκτρόδιο PbO 2 PbO 2 (s) + 3H + (aq) + ΗSO 4 (aq) + 2e PbSO 4 (s) + 2H 2 O(l) δ. η συνολική αντίδραση του στοιχείου είναι Pb(s) + PbO 2 (s) + 2ΗSO 4 (aq) + 2H + (aq) 2PbSO 4 (s) + 2H 2 O(l) και παράγει δυναμικό 2 V μια μπαταρία αυτοκινήτου έχει 6 τέτοια στοιχεία σε σειρά που δίνουν συνολικό δυναμικό 12 V

μπαταρία μολύβδου-οξέος 135 ε. το στοιχείο εμφανίζει κάποια μειονεκτήματα i. μετά από πολύ χρόνο λειτουργίας, στα ηλεκτρόδια επικαλύπτονται με πάστα PbSΟ 4 (s) και η μπαταρία αχρηστεύεται με την επαναφόρτισή της, η αντίδραση αντιστρέφεται και το PbSΟ 4 (s) παράγει Pb(s) και PbO 2 (s) ii. λόγω της μεγάλης μάζας της, έχει μικρή πυκνότητα ενέργειας iii. λόγω της επικινδυνότητας του Pb για το περιβάλλον, πρέπει να ανακυκλώνονται

μπαταρία νικελίου-καδμίου 136 9. η πιο συνήθης επαναφορτιζόμενα μπαταρία είναι η μπαταρία Ni-Cd α. ως ηλεκτρολύτης χρησιμοποιείται πυκνό διάλυμα KOH(aq) β. ως άνοδος χρησιμοποιείται Cd(s) Cd(s) + 2OH (aq) Cd(OH) 2 (s) + 2e γ. ως κάθοδος χρησιμοποιείται Ni επικαλυμμένο με NiO 2 NiO 2 (s) + 2H 2 O(l) + 2e Ni(OH) 2 (s) + 2OH δ. η συνολική αντίδραση του στοιχείου είναι Cd(s) + NiO 2 (s) + 2H 2 Ο(l) Cd(OH) 2 (s) + Ni(OH) 2 (s) και παράγει δυναμικό 1.30 V ε. το στοιχείο έχει μικρή μάζα, μεγάλη πυκνότητα ενέργειας, μεγάλη διάρκεια ζωής στ. όμως, περιέχει τοξικά συστατικά και χρειάζεται προσεκτική επαναφόρτιση (καταστροφή του ηλεκτρολύτη)

μπαταρία νικελίου-υδριδίου μετάλλου (NiMH) 137 10. επαναφορτιζόμενες μπαταρίες Ni-MH χρησιμοποιούνται στα υβριδικά αυτοκίνητα α. ως ηλεκτρολύτης χρησιμοποιείται πυκνό διάλυμα KOH(aq) β. ένα υδρίδιο μετάλλου ΜΗ (Μ = κράμα Ti, V, Cr, Ni) δρα ως άνοδος MH(s) + OH (aq) M(s) + H 2 O(l) + e γ. Ni επικαλυμμένο με NiO 2 χρησιμοποιείται ως κάθοδος NiO 2 (s) + 2H 2 O(l) + 2e Ni(OH) 2 (s) + 2OH δ. η συνολική αντίδραση του στοιχείου είναι 2MH(s) + NiO 2 (s) 2M(s) + Ni(OH) 2 (s) και παράγει δυναμικό 1.30 V ε. το στοιχείο έχει μεγαλύτερη χωρητικότητα και λιγότερα τοξικά συστατικά από τη μπαταρία Ni-Cd

138 μπαταρία ιόντων λιθίου 11. οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται σε φορητούς υπολογιστές α. ως ηλεκτρολύτης χρησιμοποιείται μίγμα αλάτων Li + με ένα οργανικό πολυμερές είναι το μέσο όπου κινούνται τα ιόντα Li + β. ως άνοδος χρησιμοποιείται γραφίτης εμποτισμένος με άτομα Li Li Li + + e γ. ως κάθοδος χρησιμοποιείται LiCoO 2 CoO 2 (s) + Li + + e LiCoO 2 (s) δ. ιόντα Li + αυθόρμητα μετακινούνται από την άνοδο προς της κάθοδο, προκαλώντας αντίστοιχη κίνηση ηλεκτρονίων σε ένα εξωτερικό αγωγό δίνοντας ένα δυναμικό 4 V ε. το στοιχείο έχει πολύ μικρή μάζα (λόγω της μικρής μάζας του Li), πολύ μεγάλη πυκνότητα ενέργειας, επαναφορτίζεται πολλές φορές και είναι περιβαλλοντικά φιλικό

139 κυψέλες καυσίμου 12. η κυψέλη καυσίμου είναι ένα είδος μπαταρίας το οποίο: α. παράγει ηλεκτρικό ρεύμα μέσω μιας αντίδρασης ενός καυσίμου (π.χ. Η 2, CH 3 OH) με το Ο 2 β. οι ποσότητες των αντιδρώντων προστίθενται συνεχώς εξωτερικά 13. στην πιο απλή της εκδοχή αποτελείται από: α. ένα διαμέρισμα με ηλεκτρόδιο Pt όπου εισάγεται Η 2 (g) (άνοδος) Η 2 (g) 2H + (aq) + 2e β. μια μεμβράνη ανταλλαγής Η + που μεταφέρει τα Η + από τη μία την άλλη πλευρά της κυψέλης γ. ένα διαμέρισμα με ηλεκτρόδιο Pt όπου εισάγεται Ο 2 (g) (κάθοδος) O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e H 2 O(s) δ. η συνολική αντίδραση είναι 2Η 2 (g) + O 2 (g) H 2 O(l) που παράγει δυναμικό 1.23 V στην πράξη ~0.60-0.80 V