1.5.5 Elektrokémia: galvánelemek és elektrolízis

Részecskék és energiaátalakulás

A fémes vezetőben elektronok, az elektrolit oldatában vagy olvadékában ionok szállítják a töltést. A galvánelem önként lejátszódó redoxireakció kémiai energiáját alakítja elektromos energiává. Az elektrolizáló cellában külső áramforrás biztosítja a nem önként lejátszódó átalakuláshoz szükséges elektromos energiát. Az elektród az elektrolittal érintkező elektronvezető anyag, például fém vagy grafit. Az elektródfolyamat a vezető és az elektrolit határán zajlik.

Az anódon mindig oxidáció, a katódon mindig redukció zajlik. Galvánelemben az anód negatív, a katód pozitív pólus; elektrolizáló cellában az anód pozitív, a katód negatív. Ezért először a félreakciót azonosítsd, és csak utána rendeld hozzá a pólusjelet. Az ionok oldatbeli és az elektronok vezetéken át történő mozgását külön rajzold vagy mondd el.

A Daniell-elem teljes magyarázata

A cinklemez Zn²⁺-ionokat, a rézlemez Cu²⁺-ionokat tartalmazó oldatba merül. A két oldatot sóhíd vagy porózus elválasztó köti össze, a fémeket vezeték. A cinklemez fogy, a rézlemez tömege nő, a réz(II)-ion koncentrációja csökken.

Az elektronok a külső vezetékben a cinktől a réz felé mozognak. A sóhíd zárja az ionos áramkört és mérsékli a töltésfelhalmozódást: anionjai a cinkes, kationjai a rézes félcella felé vándorolnak. Cellajelölés: (−) Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s) (+); a függőleges vonal fázishatár, a kettős vonal sóhíd. A cellajelölésből balról jobbra a két félcellát és az anód–katód sorrendet olvasd le.

Standardpotenciál és elektromotoros erő

A standardpotenciál, ε° (vagy E°), egy elektród standard redukciós potenciálja a standard hidrogénelektródhoz viszonyítva. A táblázatban a félreakciókat általában redukciós irányban adják meg. A cella elektromotoros ereje az árammentes állapotban mérhető legnagyobb feszültség; mértékegysége volt (V). Standard körülmények között EMF° = ε°_katód − ε°_anód. A Daniell-elemre +0,34 V − (−0,76 V) = 1,10 V.

A nagyobb redukciós potenciálú félcella a katód a szokásos galvánirányban. A potenciált nem szorozzuk meg a félreakció együtthatójával, mert intenzív mennyiség. Az egyenletek rendezéséhez az elektronokat igen, a potenciálokat nem kell többszörözni. Ha az egyik potenciál ismeretlen, rendezd át az EMF képletét a pólusok helyes azonosítása után. A standard adat az előírt referenciaállapotra vonatkozik; eltérő ionaktivitások és hőmérséklet mellett a tényleges feszültség eltérhet.

Elemek, akkumulátorok és környezet

A primer elem egyszer használatos kémiai áramforrás; az akkumulátor megfelelő feltételek között újratölthető, mert töltésekor a kisütési folyamatot külső energia fordítja vissza. A tüzelőanyag-elem a reagensek folyamatos utánpótlásával működik, például hidrogént és oxigént fogyaszthat. Mindegyiknél az oxidáció és redukció az elektródokon különül el. A gyakorlatban a feszültség és a hasznosítható kapacitás a konkrét anyagoktól és üzemállapottól függ.

Az elemeket és akkumulátorokat külön gyűjtik: a bennük lévő fémek és elektrolitok szakszerűtlen hulladékkezeléskor környezeti terhelést okozhatnak. A gyűjtés és az anyagvisszanyerés csökkenti a nyersanyagigényt. Vizsgaválaszban azonosítsd a konkrét rendszert és egy konkrét környezeti szempontot; nem állítható, hogy minden elem azonos fémeket tartalmaz.

Kapcsolódás a fémek kémiájához: korrózió

A korrózió a fémek környezeti hatásra végbemenő, kedvezőtlen átalakulása. Nedves, oxigént tartalmazó környezetben a vas oxidálódásából kiinduló reakciók során hidratált vas-oxidok és -hidroxidok alkotják a rozsdát; nem egyetlen pontos összetételű vegyületről van szó.

A bevonat távol tartja a vizet és az oxigént, amíg sértetlen; a horganyzásnál a cink az acélhoz kapcsolódva sérülés esetén is oxidálódhat a vas helyett. Ez az elektrokémiai szemlélet segít megérteni, miért kell a fémek korrózióvédelmét és a galvánelemek működését ugyanazon oxidációs–redukciós alapokra építeni.

Elektrolízis: olvadék és oldat

Vizes oldatban a víz is lehetséges reakciópartner, ezért a nátriumionból közönséges vizes körülmények között nem nátriumfém válik le; helyette hidrogén keletkezik a katódon. Az anód pozitív, a katód negatív pólus, de az oxidáció és redukció helye ugyanaz, mint galvánelemben.

A grafit és a platina sok tantervi példában indifferens elektród: fő szerepük a töltés átadása, nem fogyó reagensek. A valós elektródanyag, az oldat koncentrációja, a feszültség és a túlfeszültség befolyásolhatja a termékeket. Érettségi feladatban a megadott termékekből és körülményekből indulj ki; előbb írd fel az egyes félreakciókat, majd elektronmérleggel add össze őket.

Sósav elektrolízise középszinten

Az oldott hidrogén-klorid fogy; ha a gázok eltávoznak, a sósav koncentrációja és savassága csökken. A klór mérgező gáz, ezért az ilyen kísérlet csak megfelelő laboratóriumi körülmények között, tanári felügyelettel végezhető.

Ha a feladat más végterméket ad meg, az elektródfolyamatot annak megfelelően kell megírni. Az ionegyenletben az atomok és az össztöltés mindkét oldalon egyezzenek. A katódi és anódi elektronok száma az összegzésben azonos; magában a végső reakcióegyenletben nem maradhat elektron.

Az érettségin használható kapcsolatok

• Galvánelemben spontán redoxireakció alakít kémiai energiát elektromos energiává. Az oxidáció az anódon, a redukció a katódon zajlik; az elektronok a külső körben az anódtól a katód felé haladnak.
• A sóhíd vagy porózus válaszfal ionvándorlással zárja az áramkört és fenntartja az oldatok közelítő elektromos semlegességét; az elektronok nem a sóhídon haladnak.
• Elektrolízisben külső áramforrás hajt nem spontán redoxifolyamatot. Az anód ekkor is az oxidáció, a katód a redukció helye, de az elektródok előjele eltér a galvánelemétől.
• Vizes oldat elektrolízisekor versenghet az oldott ion és a víz kisülése. A termék meghatározásához az elektródanyagot, az ionokat, koncentrációt és túlfeszültséget együtt kell mérlegelni.
• Standard elektródpotenciál redukciós hajlamot fejez ki a standard hidrogénelektródhoz képest. Pozitívabb értékű redoxipár redukált tagja könnyebben képződik standard körülmények között.
• A nedves közegben végbemenő fémkorrózió elektrokémiai redoxifolyamat. A bevonat, passziválás, ötvözés, áldozati anód és külső áram más-más módon akadályozza az oxidációt.