Pautan, pautan, pautan?

Pertemuan dengan Elektrokimia Bahagian 5

Semasa mesyuarat sebelum ini, kita telah melihat banyak contoh sel galvanik - yang hanya mempunyai kepentingan sejarah dan lain-lain yang digunakan hari ini. Dunia sel sangat kaya, jadi sudah tiba masanya untuk memperkenalkan sistem yang berbeza daripada yang ditunjukkan setakat ini.

Bukan logam juga boleh menjadi separa sel

Pertama, eksperimen yang memerlukan dua elektrod grafit daripada unsur Leclanchet yang telah habis, zink bromida ZnBr₂, bekalan kuasa (seperti bateri 4,5V) dan meter voltan yang sangat diperlukan. Di makmal rumah, sudah tentu, kami tidak akan menemui garam zink yang disyorkan, tetapi dalam kes kami ia akan berjaya digantikan dengan campuran kalium bromida KBr dan zink sulfat (VI) ZnSO.₄. Kami memasang satu set yang terdiri daripada dua batang grafit, pasangkannya pada papan supaya elektrod sebahagiannya direndam dalam kaca.

Kami melampirkan kepingan wayar ke elektrod, sebaik-baiknya dengan besi pematerian (oleh itu, apabila mengeluarkannya dari bateri lama, biarkan "topi" tembaga pada batang grafit). Kami juga akan membuat diafragma dari sekeping kadbod dengan dimensi disesuaikan dengan bikar dengan kapasiti 50-100 cm.³ (kadbod boleh juga ditebuk dengan pin).

Sekarang kita larutkan beberapa garam yang disebutkan di dalam air, dan kemudian isi gelas dengan larutan yang disediakan (kepekatan 5-10%). Letakkan rak dengan elektrod di pinggir kapal, dan pasangkan hujung wayar pada plat tembaga bateri rata (kekutuban tidak penting pada masa ini) dan perhatikan sistem yang dibina.

Hampir serta-merta, lapisan berkilat kelabu perak didepositkan pada elektrod yang disambungkan ke terminal negatif bateri. Diperbuat daripada zink logam. Warna coklat kekuningan larutan kelihatan berhampiran elektrod kedua yang disambungkan ke kutub positif bateri. Bromin bebas diwarnakan berhampiran batang grafit. Selepas kira-kira 5 minit, cabut wayar dari terminal bateri. Menggunakan voltmeter, ukur voltan ("tolak" meter disambungkan ke elektrod yang ditutup dengan lapisan logam).

Tanpa memasuki proses yang berlaku semasa elektrolisis (kita akan membincangkannya pada salah satu mesyuarat berikut), kita boleh membuat kesimpulan bahawa sel yang dicipta terdiri daripada dua elektrod: zink (zink logam yang didepositkan pada grafit dalam larutan Zn²⁺) dan bromin (larutan ion bebas bromin dan bromida Br^?). Karbon hanyalah konduktor elektrik (dalam amalan, bahan tidak reaktif dalam keadaan tertentu, seperti grafit, platinum, sering digunakan sebagai bahan elektrod).

Mari sambungkan penerima semasa ke elektrod? mentol lampu dengan voltan operasi 1,5 V (dalam kes ini, kekutuban sambungan juga tidak penting). Apabila tenaga diekstrak daripada sistem, kita memerhatikan kehilangan secara beransur-ansur deposit logam pada satu elektrod dan warna kekuningan pada yang lain. Bahan yang dikeluarkan sebelum ini bertindak balas, memulihkan keadaan asalnya. Tindak balas adalah tidak langsung dengan pemindahan elektron melalui wayar penyambung. Ini adalah intipati sel galvanik.

Apakah tindak balas yang berlaku dalam sistem kami? Untuk elektrod zink, kita pasti boleh memberikan persamaan proses:

 (-)Zn⁰ ? zink²⁺ + 2e^-

Pada elektrod kedua, bromin bebas dikurangkan kepada anion bromin:

 (+) Tidak.₂ + 2e^- , 2Br^-

Oleh itu, skema sel adalah seperti berikut (kami meninggalkan ion kalium dan sulfat (VI), yang tidak mengambil bahagian dalam tindak balas):

 (-) С, Zn | ZnBr2aq? ZnBr2aq | С (+)

Kita tidak perlu menggunakan apertur dalam sel. Walau bagaimanapun, penggunaannya akan menghalang bromin daripada berhijrah berhampiran elektrod bersalut zink dan bertindak balas secara langsung antara sel.

Bukan logam membentuk separuh sel seperti unsur logam. Ia hanya perlu menggunakan konduktor yang direndam dalam larutan yang sesuai, yang akan mengambil bahagian dalam pemindahan elektron. Untuk halogen, potensi piawai adalah seperti berikut (tindak balas elektrod adalah serupa dengan yang diberikan untuk bromin):

Separuh sel	F2/F?	Cl2/ Cl?	Br2/ br?	I2/I?
E0 [V]	+ 2,87	+ 1,36	+ 1,07	+ 0,54

Dalam kes fluorin, nilai potensi (yang tertinggi daripada semua separuh sel yang ditentukan) dikira dan bukannya diukur. Sebabnya, seperti dalam kes logam alkali dan alkali tanah, adalah tindak balas unsur aktif dengan air.

sel redoks

Untuk eksperimen seterusnya, kami akan menyediakan penyelesaian berikut: besi (III) klorida, FeCl₃ dengan kepekatan 5%, kalium iodida KI dengan kepekatan 10% dan ampaian kanji air. Campurkan beberapa cm dalam tabung uji³ larutan garam, dan selepas beberapa ketika tambahkan beberapa titik penggantungan kanji. Warna biru tua kandungan menunjukkan kehadiran iodin bebas. Tindak balas ditulis oleh persamaan:

 2Fe³⁺ + 2i^- ? 2Fe²⁺ + saya₂

kation besi (III) mengoksidakan anion iodida kepada unsur bebas, mengurangkan kepada ion besi (II).

Perubahan dalam warna penunjuk kanji mengesahkan kehadiran zarah iodin, tetapi adakah kation Fe benar-benar terbentuk?²⁺? Mari kita uji hipotesis ini. Ujian ciri untuk pengesanan kation besi(II) ialah tindak balas dengan kalium heksasianoferrat(III) K₃[Fe(CN)₆], biasanya dikenali sebagai potassium ferricyanide. Sebatian itu membentuk kristal merah, berbeza dengan kalium ferrosianida dengan nama yang sama (kalium (II) heksasianoferrat K₄[Fe(CN)₆]) dengan hablur kuning ? jangan kita kelirukan kedua-dua hubungan ini. Mari kita ulangi percubaan sebelumnya, tetapi bukannya penggantungan kanji, kita akan menambah beberapa titik larutan 1% kalium ferricyanide. Sekali lagi, kandungan bekas tindak balas bertukar menjadi biru tua kerana kombinasi kompleks yang dipanggil biru Turnbull:

 3Fe²⁺ + 2[Fe(CN)₆]^3- ? iman₃[Fe(CN)₆]₂

Saya mengesyorkan agar orang yang tidak percaya menjalankan ujian dengan garam besi ferus dan besi. Kami mendapat warna biru hanya dalam kes yang pertama.

Sekarang, dalam dua bikar kecil dengan kapasiti 50-100 ml, tuangkan beberapa larutan besi (III) klorida dan kalium iodida.³. Dalam setiap bekas, rendam elektrod grafit dengan wayar yang dipasang (diletakkan pada dirian yang sesuai supaya ia tidak jatuh ke dalam kaca). Juga, tambahkan sedikit ampaian kanji ke dalam bekas dengan larutan kalium iodida. Untuk mencipta sel, anda juga memerlukan kunci elektrolitik (dibuat semasa salah satu mesyuarat sebelumnya? Sejalur kertas hapus yang direndam dalam larutan KNO pekat sudah memadai.₃). Hujung petunjuk dari elektrod disambungkan ke terminal meter universal yang dipasang untuk mengukur voltan.

Kami menentukan kekutuban sambungan voltmeter sendiri berdasarkan analisis persamaan untuk tindak balas kation besi (III) dengan anion iodin, kami perhatikan ion mana yang mereka berikan dan yang mana menerima elektron. Bacaan meter mengesahkan operasi sel galvanik. Kemudian kami menukar peranti kepada ukuran semasa. Ia kecil (dari susunan beberapa puluh mA), jadi kami tidak perlu menggunakan mana-mana penerima tambahan (contohnya, mentol lampu) untuk melindungi peranti daripada kerosakan. Pembentukan warna biru tua di sekeliling elektrod yang direndam dalam bikar dengan larutan kalium iodida membuktikan perjalanan tindak balas dalam sistem. Bilakah kita menambah sedikit larutan kalium ferricyanide kepada penggoncang garam besi(III)? juga di dalamnya. Mari kita tuliskan persamaan proses yang berlaku dalam gelas:

 (-)2I^- ? ₂ + 2e^-

(+)2Fe³⁺ + 2e^- ? 2Fe²⁺ 

 dan gambarajah sel:

(-) С | KI_aq || FeCl_3aq | C (+)

Tindak balas yang sama berlaku di dalam sel seperti selepas mencampurkan substrat dalam tabung uji (cukup untuk menambah proses anodik dan katodik di sisi), dan pemisahan spatial transformasi memungkinkan untuk menggunakan tenaga elektron yang dipindahkan antara separuh sel.

Sel yang kita bina dipanggil sel redoks. Nama itu biasa tetapi mengelirukan. Lagipun, kita tahu bahawa proses pengoksidaan dan pengurangan berlaku dalam setiap pautan. Bagaimana untuk menentukan arah tindak balas redoks (dijalankan dalam sel dan dalam tabung uji)? Kaedahnya mudah sahaja:

1. Dalam jadual fizik dan kimia, adakah kita dapati potensi piawai bagi separuh sel yang sepadan? untuk sistem Fe³⁺/ Iman²⁺ ini ialah +0,77 V; untuk saya₂/I^?: +0,54 V.

2. Sistem yang mempunyai potensi yang lebih tinggi ialah agen pengoksidaan dalam tindak balas (katod sel), dan separuh sel dengan keupayaan yang lebih rendah? anod sel, iaitu agen penurunan.

3. Walau bagaimanapun, perlu diingat bahawa untuk sistem dengan perbezaan kecil dalam nilai potensi piawai, dalam beberapa kes, peranan boleh diterbalikkan (potensi sebenar bergantung, antara lain, pada kepekatan reagen).

Sel bahan api

Kami akan memasang sistem dari eksperimen pertama, menggantikan hanya larutan kalium bromida dan zink (VI) sulfat dengan larutan 10% asid sulfurik (VI) H₂SO₄. Selepas 1-2 minit elektrolisis (berlaku dengan pelepasan gas pada elektrod), matikan sumber kuasa dan berhati-hati, supaya tidak mengeluarkan gelembung gas dari permukaan grafit, ukur voltan dengan voltmeter. Pautan dibuat! Selepas menukar peranti kepada mod pengukuran semasa, seseorang boleh memerhatikan kehilangan gelembung gas pada permukaan elektrod grafit semasa tindak balas. Tanpa pergi ke perincian proses yang menyebabkan pemendapan oksigen bebas dan hidrogen pada elektrod, tindak balas dalam sel adalah seperti berikut:

 (-) 2H2? 4 jam⁺ + 4e^-

(+) ATAU₂ + 4H⁺ + 4e^- ? 2j₂O

Secara keseluruhannya, tindak balas sintesis air daripada unsur-unsur berlaku.

Sistem yang dibina adalah model sel bahan api. Penukaran langsung tenaga tindak balas antara bahan api dan pengoksida kepada elektrik adalah amat berfaedah dari sudut pandangan ekonomi proses? Tidak perlu menukar haba pembakaran kepada tenaga wap, yang hanya memacu turbin. Tidak menghairankan, sistem sedemikian direka untuk menyelesaikan masalah tenaga (dan sisanya adalah air bersih). Walau bagaimanapun, harga bahan binaan dan keperluan untuk menghasilkan hidrogen adalah halangan utama.

Walaupun sel bahan api telah digunakan untuk menjana elektrik di kawasan yang paling berteknologi maju, seperti penerbangan angkasa lepas (dalam sesetengah industri, kos memainkan peranan kedua), sejarahnya sangat panjang. Prototaip kerja pertama sel hidrogen-oksigen telah dibina oleh pencipta British William Robert Grove pada tahun 1839.

Artikel ini membentangkan beberapa jenis pautan, berbeza daripada yang dibincangkan dalam mesyuarat sebelumnya. Seperti episod yang lain? hanya masalah sistem ini, yang penting bukan sahaja sebagai sumber tenaga, digariskan. Walau bagaimanapun, keperluan untuk mengekalkan saiz teks yang munasabah menjadikannya mustahil untuk membincangkan banyak topik menarik yang berkaitan dengan pautan (saya menggalakkan pembaca yang berminat untuk mencari maklumat sendiri). Dalam episod kitaran seterusnya, kami akan menganalisis jadual potensi separuh sel. Terdapat juga tawaran pengalaman yang menarik.

aplikasi elektronik

sel redoks

Setiap sel elektrokimia mengalami pengoksidaan (di anod) dan pengurangan (di katod). Walau bagaimanapun, dalam jargon kimia, sel redoks dirujuk sebagai jenis sistem tertentu.

Untuk eksperimen, larutan kalium iodida KI dan besi (III) klorida FeCl diperlukan.₃ dan ampaian berair kanji (tepung kentang). Anda juga memerlukan kunci elektrolitik yang diisi dengan larutan pekat kalium nitrat (V) KNO₃. Jika kita tidak mempunyai kunci, cukup untuk melipat beberapa kali jalur kertas tisu atau benang kapas yang direndam dalam larutan kalium nitrat.

Kami akan menggunakan rod grafit daripada sel Leclanche terpakai sebagai elektrod (foto 1). Litar pintas hujung elektrod dengan wayar dan rendamkannya dalam bikar dengan larutan KI (dengan penambahan buburan kanji) dan FeCl.₃. Selain itu, kami menggabungkan penyelesaian dalam gelas dengan kunci elektrolitik atau salah satu penggantinya (foto 2). Selepas beberapa lama, coretan ungu mula muncul di dalam kaca dengan larutan kalium iodida (foto 3), secara beransur-ansur mengotorkan kapal dalam warna gelap (foto 4 dan 5). Ia adalah produk ciri gabungan molekul iodin bebas dengan molekul kanji. Iodin terbentuk hasil daripada pengoksidaan anion iodida pada anod sel:

(-) Anod: 2I^- ? ₂ + 2e^-

Pada elektrod kedua (katod), ion besi (III) dikurangkan:

(+) Katoda: 2Fe³⁺ + 2e^- ? 2Fe²⁺

Sel redoks yang dicipta dalam eksperimen mempunyai skema berikut:

(-) С | KI_aq || FeCl_3aq | C (+)

di mana simbol karbon C menandakan elektrod grafit dan || ? kunci elektrolitik. Tindak balas keseluruhan dalam sistem ialah pengoksidaan anion I^- oleh kation Fe³⁺:

2Fe³⁺ + 2i^- ? 2Fe²⁺ + saya₂

sel redoks

sel kepekatan

Untuk eksperimen kedua anda memerlukan: larutan kuprum sulfat (II) CuSO₄, elektrod kuprum, kunci elektrolitik yang diisi dengan larutan pekat kalium nitrat (V) KNO₃ dan kaunter universal. Isikan salah satu bikar dengan larutan CuSO.₄dan satu lagi dengan pencairan yang sama 1:100 (contohnya, 0,5 cm³ larutan yang diambil dari gelas pertama, tambahkan air hingga isipadu 50 cm³) (foto 6). Selepas merendam wayar kuprum dalam gelas dan menutup litar dengan kunci elektrolitik, ukur voltan antara elektrod sel. Ia kecil? kira-kira sedozen atau beberapa puluhan milivolt (foto 7).

Tindak balas pembubaran kuprum dan pemendakan berlaku pada elektrod:

(-) Anod: Cu⁰ ? Dengan²⁺ + 2e^- (larutan kurang pekat)

(+) Katod: Cu²⁺ + 2e^- ? Dengan⁰ (penyelesaian lebih pekat)

Selepas menambah persamaan kedua-dua proses elektrod, ternyata tiada tindak balas kimia berlaku secara keseluruhan! Daya penggerak sel hanyalah keinginan sistem untuk menyamakan kepekatan dalam kedua-dua gelas.