Σημειώσεις για το μάθημα Φυσική Χημεία ΙΙ Ηλεκτροχημικά στοιχεία Ευκλείδου Τ. Παναγιώτου Σ. Γιαννακουδάκης Π. m OFF V/dc V/ac Ω Ω A/ac A/dc V/Ω A com I e e- - I γέφυρα άλατος Cu(s) κίνηση κατιόντων - Zn(s) κίνηση ανιόντων 2 Cu 100 ml 100 ml πρότυπο ηλεκτρόδιο Cu 2 Zn πρότυπο ηλεκτρόδιο Zn Τμήμα Χημείας ΑΠΘ
Σημειώσεις για το μάθημα Φυσική Χημεία ΙΙ Ηλεκτροχημικά στοιχεία περιεχόμενα κατάλογος σχημάτων Ευκλείδου Τ. Παναγιώτου Σ. Γιαννακουδάκης Π. - A γέφυρα άλατος - Eemf άνοδος κάθοδος Τμήμα Χημείας ΑΠΘ
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 [ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΑΛΥΤΙΚΗ ΤΑΣΗ]... 18 1.1 Ηλεκτροδιαλυτική τάση των µετάλλων... 18 1.2 Η αποκατάσταση της ισορροπίας της ηµιαντίδρασης της ηλεκτροδιαλυτικής τάσης 20 1.3 Η ισορροπία ανάµεσα στην οξειδωµένη (Οx) και αναγµένη (Red) µορφή του µετάλλου... 22 1.4 Ερµηνεία της ηλεκτροδιαλυτικής τάσης... 23 1.5 Παράγοντες που επηρεάζουν την ηλεκτροδιαλθτική τάση... 24 2. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 [ΗΜΙΣΤΟΙΧΕΙΟ]... 25 2.1 Το ηµιστοιχείο... 25 2.2 Ο ρόλος του ηλεκτροδίου στο ηµιστοιχείο... 26 2.3 Κατηγορίες ηµιστοιχείων... 27 2.4 Δυναµικό ηµιστοιχείου... 31 2.5 Παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται το δυναµικό του ηµιστοιχείου... 31 2.6 Εξάρτηση της διαφοράς δυναµικού από τη συγκέντρωση του κατιόντος..32 2.7 Το δυναµικό του ηµιστοιχείου και η σχέση του µε την ενεργότητα των ηλεκτρονίων.34 2.8 Σύγκριση του δυναµικού των ηµιστοιχείων Zn και Cu... 36 2.9 Τρόπος γραφής της οξειδοαναγωγικής ηµιαντίδρασης στο ηµιστοιχείο... 38 3. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 [ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ]... 40 3.1 Βολτόµετρο... 40 1
3.2 Μέτρηση του δυναµικού ενός ηµιστοιχείου... 43 3.3 Κανονικό ή πρότυπο ηλεκτρόδιο υδρογόνου... 46 3.4 Το πρότυπο δυναµικό ενός ηµιστοιχείου... 49 3.5 Μέτρηση του πρότυπου δυναµικού ηµιστοιχείου... 50 3.6 Ερµηνεία του θετικού δυναµικού ενός ηµιστοιχείου... 55 3.7Πίνακας των κανονικών δυναµικών οξεοδοαναγωγής 56 4. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 [ΕΞΙΣΩΣΗ NERNST]... 59 4.1 Εξίσωση Nernst... 59 4.2 Εφαρµογή της εξίσωσης Nernst στον υπολογισµό του δυναµικού του ηµιστοιχείου... 61 4.3 Επίδραση της συγκέντρωσης των κατιόντων Η στο δυναµικό του ηλεκτροδίου του υδρογόνου... 63 5. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 [ΓΑΛΒΑΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ]... 65 5.1 Γαλβανικά στοιχεία... 65 5.2 Στοιχείο Daniell... 67 5.3 Ηλεκτρεγερτική δύναµη γαλβανικού στοιχείου... 69 5.4 Η φορά του ρεύµατος και οι φορείς του ηλεκτρικού φορτίου στο γαλβανικό στοιχείο... 73 5.5 Η γέφυρα άλατος... 77 5.6 Μεταβολή της µάζας των ηλεκτρονίων... 79 5.7 Άνοδος και κάθοδος στο στοιχείο Daniell... 81 5.8 Άνοδος και κάθοδος στα γαλβανικά στοιχεία... 82 5.9 Ο συµβολισµός του γαλβανικού στοιχείου και οι παρανοήσεις... 84 5.10 Εύρεση ανόδου... 87 2
5.11 Πότε σταµατάει η λειτουργία ενός γαλβανικού στοιχείου... 89 5.12 Ηλεκτροχηµική σειρά µετάλλων... 90 5.13 Χρήση των πρότυπων δυναµικών στον έλεγχο πραγµατοποίησης µιας χηµικής αντίδρασης... 91 5.14 Εφαρµογές των γαλβανικών στοιχείων... 95 6. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 [ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ]... 97 6.1 Ηλεκτρολυτικά στοιχεία... 97 6.2 Μετατροπή ενός γαλβανικού στοιχείου σε ηλεκτρολυτικό στοιχείο... 98 6.3 Εποπτικός τρόπος ερµηνείας της αλλαγής των δράσεων που συµβαίνουυν στα δύο ηλεκτρόδια... 101 6.4 Σύγκριση γαλβανικού ηλεκτρολυτικού στοιχείου... 104 6.5 Ηλεκτρόλυση... 105 6.6 Η τεχνική της γαλβανοπλαστικής (επαργύρωση)... 106 3
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ 1: Οξείδωση του µετάλλου και επιδιαλύτωση των ιόντων... 18 2: Οξείδωση των επιδιαλυτωµένων κατιόντων... 19 3: Αναγωγή των επιδιαλυτωµένων κατιόντων Μ 2 (aq)... 21 4: Αναγωγή των επιδιαλυτωµένων κατιόντων Μ 1 (aq)... 21 5: Μετατροπή της οξειδωµένης (Οx) σε αναγµένη (Red) µορφή... 26 6: Μετατροπή της αναγµένης (Red) σε οξειδωµένη (Οx) µορφή... 27 7: Ηµιστοιχείο οξειδοαναγωγής... 29 8: Σύγκριση δυναµικών Zn σε διαλύµατα µε διαφορετική συγκέντρωση... 32 9: Σύγκριση του δυναµικού των ηµιστοιχείων Zn και Cu... 37 10: Σύνδεση βολτοµέτρου σε κύκλωµα... 40 11: Αναλογικό βολτόµετρο... 41 12: Περιγραφή ψηφιακού βολτοµέτρου... 42 13: Μέτρηση διαφοράς δυναµικού µετάλλου ηλεκτρολυτικού διαλύµατος... 44 14: Μέτρηση του δυναµικού ηµιστοιχείου... 45 15: Κανονικό ή πρότυπο ηλεκτρόδιο υδρογόνου... 46 16: Ιοντική ισορροπία στο ηλεκτρόδιο υδρογόνου... 47 17: Συνδεσµολογία για τη µέτρηση του πρότυπου δυναµικού του ηµιστοιχείου Zn/Zn 2... 50 18: Αλλαγή πολικότητας στη µέτρηση του δυναµικού... 51 19: Συνδεσµολογία για τη µέτρηση του πρότυπου δυναµικού του ηµιστοιχείου Cu/Cu 2... 54 20: Συνδεσµολογία µέτρησης του πρότυπου δυναµικού ενός ηµιστοιχείου... 55 21:Γαλβανικό στοιχείο αποτελούµενο από τα ηµιστοιχεία Α και Β... 65 4
22: Σχηµατική αναπαράσταση του γαλβανικού στοιχείου (µαύρο κουτί)... 66 23:Το γαλβανικό στοιχείο Daniell... 67 24: Υπολογισµός της τάσης στο στοιχείο Daniell... 70 25: Υπολογισµός της τάσης (αντίθετη) στο στοιχείο Daniell... 71 26: Παραγωγή ρεύµατος στο στοιχείο Daniell... 74 27: Κίνηση ηλεκτρονίων και παραγωγή ρεύµατος στο στοιχείο Daniell... 74 28: Σχηµατική αναπαράσταση του ηλεκτρικού ρεύµατος και της κίνησης των ιόντων σε γαλβανικό στοιχείο... 77 29: Μείωση της µάζας του ηλεκτροδίου του Zn µε ταυτόχρονη αύξηση της µάζας του ηλεκτροδίου του Cu... 80 30: Το πολύµετρο χρησιµοποιείται ως βολτόµετρο ή ως αµπερόµετρο... 88 31: Η πραγµατοποίηση της αντίδρασης οξείδωσης του Zn µέσα σε διάλυµα CuSO 4 (πρώτο ποτήρι) και η µη πραγµατοποίηση της αντίδρασης οξείδωσης του Cu µέσα σε διάλυµα ZnSO 4 (δεύτεροποτήρι)..92 32: Η πραγµατοποίηση της αντίδρασης οξείδωσης του Cu µέσα σε διάλυµα AgNO 3 (πρώτο ποτήρι) και η µη πραγµατοποίηση της αντίδρασης οξείδωσης του Ag µέσα σε διάλυµα CuSO 4 (δεύτερο ποτήρι)... 93 33: Ηλεκτρολυτικό στοιχείο... 97 34: Σύνδεση εξωτερικής πηγής ανάστροφα... 99 35: Σύνδεση εξωτερικής πηγής ανάστροφα σε γαλβανικό στοιχείο... 99 5