Elektrochemie


Elektrochemie je obor chemie, který zkoumá procesy probíhající na rozhraní elektrod (kovových nebo polokovových, příp. grafitových) a elektrolytu. Základy elektrochemie byly položeny v období 16.-18. století, kdy začali vědci experimentovat s elektřinou a magnetismem.

Základní pojmy

  • Elektrolyt — látka, která je schopná se štěpit na ionty, v roztoku nebo tavenině, např. NaCl, CuSO4.
  • Elektrolýza — technika využívající stejnosměrný proud jako zdroj energie pro chemickou reakci.
  • Elektroda — elektrický vodič, který je v kontaktu s nekovovou částí obvodu, tj. vakuem, polovodičem, elektrolytem nebo vzduchem.
    • Anoda — elektroda, na které probíhá oxidace
    • Katoda — elektroda, na které probíhá redukce
  • Elektroda 1. druhu — kov, ponořený do roztoku své vlastní soli, např. stříbrný drát ponořený do roztoku stříbrné soli.
  • Elektroda 2. druhu — kov, pokrytý jeho nerozpustnou solí a ponořený do roztoku, který obsahuje stejný anion jako nerozpustná sůl, např. argentochloridová elektroda. Ta je tvořena stříbrným drátem, potaženým chloridem stříbrným (AgCl) a ponořeným do roztoku KCl.

Elektrolýza

Elektrolýza je proces, využívající stejnosměrný elektrický proud jako zdroj energie pro chemické reakce. Jde o velmi důležitý proces využívaný v mnoha průmyslových odvětvích. Elektrolýza probíhá v roztocích nebo taveninách, klasickým příkladem je elektrolytický rozklad vody na vodík a dusík:

2 H2O → 2 H2 + O2

Kvantita elektrolytických procesů je popsána pomocí Faradayových zákonů, které publikoval Michael Faraday roku 1834.[1]

1. Faradayův zákon

Hmotnost vyloučené látky je úměrná proudu (I), který prochází elektrolytem a času (t), po který elektrolýza probíhala. Neboli je hmotnost vyloučené látky úměrná elektrickému náboji (Q), který prošel elektrolytem.

m = A.I.t = A.Q

A je chemický ekvivalent, který je definován 2. Faradayovým zákonem.

2. Faradayův zákon

Látková množství vyloučená jednotkovým nábojem jsou pro všechny látky ekvivalentní.

$$A=\frac{M}{Fz}$$

M je molární hmotnost vyloučené látky, z je počet vyměňovaných elektronů a F je Faradayova konstanta, což je náboj jednoho molu elektronů.

F = e.NA = 1,602176565.10-19×6,02214129.1023 = 96 485,33 C.mol-1

Příklad výpočtu

Kolik hořčíku získáme elektrolýzou taveniny MgCl2? Elektrolýzu provádíme proudem 1,7 A po dobu 2,5 hodiny.

Při elektrolýze dochází k redukci hořečnatých iontů podle rovnice:
Mg2+ + 2 e → Mg

Z rovnice vyplývá, že k redukci jsou potřeba dva elektrony, proto elektrochemický ekvivalent vypočítáme:

$$A = \frac{M}{Fz} = \frac{24,3}{96485 . 2} = 0,00013\ g.C^{-1}$$

Hmotnost vyloučeného hořčíku spočítáme z rovnice (2,5 hodiny musíme převést na 9000 s):

$$m = AIt = 0,00013 . 1,7 . 9000 = 1,99\ g\ Mg$$

Elektrodový potenciál

Elektrodový potenciál (E) – potenciál elektrody vůči standardní vodíkové elektrodě, jednotkou je volt [V]. Počítá se pomocí Nernst-Petersonovy rovnice.

Standardní elektrodový potenciál (E0) – elektrodový potenciál za standardních podmínek.

$$E=E^0 – \frac{RT}{zF}\ln\ c$$

R – molární plynová konstanta (8,314 J.K-1.mol-1)
T – teplota [K]
c – molární koncentrace iontu

$$E=E^0 – \frac{RT}{zF}\ln\ \frac{a_{red}}{a_{ox}}$$

ared – aktivita redukované formy
aox – aktivita oxidované formy

Standardní vodíková elektroda

Standardní vodíková elektroda (SVE) – platinový drátek pokrytý platinovou černí, sycený plynným vodíkem pod tlakem 101 325 Pa za teploty 273,15 K, ponořený do roztoku o jednotkové aktivitě H+. Je to univerzální referenční elektroda pro protické rozpouštědla. Standardní elektrodový poteciál (H+/H2) je nulový za všech teplot.[2]

ElektrodaE0 [V]ElektrodaE0 [V]
Li/Li+−3,045Cu/Cu2+0,337
Cs/Cs+−2,923Cu/Cu+0,521
Mg/Mg2+−2,363Ag/Ag+0,799
Zn/Zn2+−0,762Pt/Pt2+1,200
Fe/Fe2+−0,440Au/Au3+1,498
Ni/Ni2+−0,250Mn3+/Mn2+1,51
H+/H20,000Ce4+/Ce3+1,61

Beketovova řada kovů obsahuje kovy seřazené podle standardních elektrodových potenciálů.

Prezentace ve formátu PDF, včetně řešených příkladů.

Literatura

  1. Faraday’s electrochemical laws and the determination of equivalent weights
  2. IUPAC Gold Book – Standard hydrogen electrode

Další kapitoly

One Reply to “Elektrochemie”

Leave a Reply

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..