Kemijska ravnoteža


Download 1.37 Mb.
Pdf ko'rish
Sana21.03.2020
Hajmi1.37 Mb.

1

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Kemijska 

ravnoteža

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Svaka



povratna

ili


reverzibilna

reakcija može se

op

ć

enito prikazati sljede



ć

om jednadžbom:



m

A

+

n



B

o

C

+

p



D

.





U trenutku kada se

brzine reakcije

nastajanja produkata

i raspadanja produkta izjedna

č

e sustav je u stanju



ravnoteže (ozna

č

avamo



ili

). Grana kemije koja

izu

č

ava brzine kemijskih reakcija naziva se



kemijska

kinetika

.

k

[A]

m

· [B]



n

k

[C]


o

· [D]


p

2

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

k

[A]


m

· [B]


n

k

[C]

o

· [D]



p



U slu



č

aju kada su brzine jednake, tj. kada je

za navedenu se reakciju može se definirati izraz:



Taj je izraz poznat pod imenom



zakon o djelovanju

masa

(

Guldberg-Waage



)

ili


zakon

kemijske

ravnoteže

. Konstanta



K

naziva


se

konstantom

kemijske

ravnoteže

i

njena



broj

č

ana



vrijednost

konstantna je pri nekoj temperaturi.



=

[C]


o

· [D]


p

[A]


m

· [B]


n

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Konstanta kemijske ravnoteže odre

ñ

uje položaj ravnoteže.



Što je ve

ć

a vrijednost konstante ravnoteže

to je u stanju

ravnoteže

ve

ć

a koncentracija produkata reakcije

u

odnosu na koncentraciju reaktanata, tj. to je ravnoteža više



pomaknuta u smjeru stvaranja produkata reakcije.

Primjer:


N

2

(g) + 3H



2

(g)


2NH

3

(g)



K

c

=



[NH

3

]



2

[N

2



] · [H

2

]



3

K

p

=



p

2

(NH


3

)

p(N

2

p



3

(H

2



)

*

za plinove – parcijalni tlakovi plinova



*

3

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Ravnoteže u



homogenim sustavima

mogu se podijeliti

na:



ravnoteže u plinovitim sustavima





ravnoteže u otopinama.



Ravnoteže u



heterogenim sustavima

, koji se sastoje

od

više


faza,

mogu


se

promatrati

u

sljede


ć

im

sustavima:





č

vrsto - plinovito





č

vrsto – teku



ć

e





teku

ć

e – plinovito





teku


ć

e – teku


ć

e.

dr.sc. M. Cetina, doc.



Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Ovakav sustav

č

ini


č

vrsta tvar u ravnoteži sa svojom

zasi

ć

enom



otopinom.

Ravnoteža

otapanja,

odnosno


taloženja može se op

ć

enito prikazati ovom jednadžbom:



Heterogeni sustav

č

vrsto-teku

ć

e

B

+



A

(s)



B

+

(aq) + A



(aq)


Konstanta ravnoteže dana je izrazom:

[B

+



] · [ A

] =



K

c

Konstanta ravnoteže u ovom se slu

č

aju naziva



konstanta

produkta topljivosti

(K

pt

K



so

K

sp

).


4

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Što je manja vrijednost konstante

produkta topljivosti, to

je i

manja topljivost tvari

, odnosno prije dolazi do njenog

taloženja.

Primjeri:

AgCl

Ag

+



+ Cl

;



K

pt

(AgCl) = [Ag



+

] · [Cl


]

PbCl



2

Pb

2+



+

2

Cl



;

K

pt

(PbCl



2

) = [Pb


2+

] · [Cl


]

2

PbSO

4

Pb



2+

+ SO


4

2



;

K

pt

(PbSO



4

) = [Pb


2+

] · [SO


4

2



]

Tvar

K

pt

Tvar

K

pt

AgBr


4,4 

·

10



-13

mol


2

dm



6

PbCl


2

·



10

-5

mol



3

dm



9

AgCl


·

10



-10

mol


2

dm



6

PbS


4,2 

·

10



-28

mol


2

dm



6

CaCO


3

1,6 


·

10

-8



mol

2

dm



6

PbSO



4

1,4 


·

10

-8



mol

2

dm



6

K



pt

nekih teško topljivih tvari u vodi (pri sobnoj temperaturi)

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

AgCl

Ag

+



+ Cl

;



K

pt

(AgCl) = [Ag



+

] · [Cl


]

[Ag



+

] · [Cl


] < K

pt

(AgCl)


nezasi


ć

ena otopina

[Ag

+

] · [Cl



] = K

pt

(AgCl)


zasi


ć

ena otopina

[Ag

+

] · [Cl



] > K

pt

(AgCl)


prezasi


ć

ena otopina

Iz K

pt

se može izra



č

unati


ravnotežna koncentracija iona

u otopini,



topljivost spoja u vodi

i

koncentracija iona



potrebna za taloženje

.


5

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Otapa li se neka tvar A u dvije teku

ć

ine koje se me



ñ

usobno


ne miješaju, ona se razdijeli u dvije teku

ć

e faze pri



č

emu se


uspostavi ravnoteža:

Konstanta ravnoteže dana je izrazom:



Heterogeni sustav teku

ć

e-teku

ć

e

A

(faza 1)



A

(faza 2)


=

[A]


(faza2)

[A]


(faza1)

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

[I

2



]

Odnos se naziva



Nernstovim zakonom razdjeljenja

(

W.H. Nernst



) koji kaže da je omjer koncentracija tvari koja

je razdijeljena u dvije faze pri odre

ñ

enoj temperaturi



stalan. Konstanta ravnoteže naziva se i

koeficijentom

razdjeljenja

. Nernstov zakon vrijedi ako je molekulsko

stanje otopljene tvari u obje faze isto.

I

2



I

2

Primjer:



ekstrakcija

vodene


otopine

joda


pomo

ć

u



kloroforma

=

= 250


[I

2

]



CHCl

3

H



2

O

(H



2

O)

(CHCl



3

)


6

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Prilikom kemijskih reakcija može do



ć

i do osloba

ñ

anja i


vezanja topline. Reakcije kod kojih se

toplina osloba

ñ

a

nazivaju se



egzotermnim reakcijama

, a one kod kojih

se

toplina veže

(

apsorbira

) nazivaju se

endotermnim

reakcijama

. Promjena temperature utje

č

e na ravnotežu,



odnosno vrijednost konstante ravnoteže.

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Povišenje



temperature

,

prema



Le

Chatelierovom

principu,

pogoduje endotermnim reakcijama

, što


zna

č

i da se povišenjem temperature ravnoteža pomi



č

e s


lijeve prema desnoj strani jednadžbe kemijske reakcije.

Obratno,


egzotermnim reakcijama pogoduje sniženje

temperature

pri


č

emu se ravnoteža pomi

č

e prema


desnoj strani, odnosno nastajanju produkata.

7

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Pri otapanju elektrolita u vodi dolazi do disocijacije. Pri



tome, jaki elektroliti

potpuno disociraju

:

Ravnoteže u otopinama elektrolita

BA(aq)

→

B



+

(aq) + A


(aq).




U slu


č

aju slabih elektrolita dolazi samo do



djelomi

č

ne

disocijacije

i

postoji ravnoteža

izme

ñ

u nedisociranih



molekula BA i hidratiziranih iona B

+

i A



:

BA(aq)



B

+

(aq) + A



(aq).


dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Za navedenu reakciju disocijacije



izraz za

konstantu ravnoteže

iznosi:


BA

B

+



+ A





Konstanta ravnoteže

K

c

naziva se u ovom slu

č

aju


konstanta

disocijacije

.

Što



je

njezina


broj

č

ana

vrijednost ve

ć

a

to je


ve

ć

a koncentracija iona u

odnosu na koncentraciju nedisocirane molekule u

otopini

. To zna


č

i da je vrijednost konstante disocijacije i

mjera za jakost elektrolita.

K

c

=



[B

+

] · [A



]

[BA]



8

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Poznato je da voda vrlo slabo disocira na ione i u



č

istoj


vodi i u vodenim otopinama postoji ravnoteža ionizacije:

Ravnoteže u otopinama kiselina i baza

H

2



O(l) + H

2

O(l)



H

3

O



+

(aq) + OH

(aq)


ili kra

ć

e:



H

2

O(l)



H

+

(aq) + OH



(aq)




Konstanta ravnoteže naziva se



ionski produkt vode

i

dana je izrazom:



[H

+

] · [ OH



] =


K

w

=

10

−−−−

14

mol

2

dm

−−−−


6

(

pri 25



o

C).




Navedena vrijednost vrijedi pri temperaturi 25

o

C, dok je



pri

nižim


temperaturama

manja,


a

pri


višim

temperaturama ve

ć

a od te vrijednosti.



dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Iz prijašnje navedenog izraza slijedi da koncentracije



vodikovih i hidroksidnih iona iznose:

[

H



+

] =


[ OH

]



K

w

[

OH

−−−−

] =


[ H

+

]



K

w



Kako se voda ionizira na jednaki broj vodikovih i



hidroksidnih iona, to je i njihova koncentracija jednaka i

pri 25


o

C iznosi:



[H

+

] = [ OH

−−−−


]

=

= 10

−−−−

7

mol dm

−−−−


3

.

6



2

14

dm



mol

10





Zbog jednake koncentracije vodikovih i hidroksidnih iona



č

ista voda je neutralna

. Isto tako je i neutralna bilo koja

druga otopina koja ima istu koncentraciju tih iona.


9

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Ako


je

koncentracija

vodikovih

iona

ve

ć

a

od

10

−−−−


7

mol dm

−−−−


3

tada je otopina



kisela

. Obratno, ako je



koncentracija

vodikovih

iona

manja

od 10

−−−−


7

mol dm

−−−−


3

tada je otopina



lužnata

.

neutralna otopina



[H

+

] = [ OH

−−−−


] = 10

−−−−


7

mol dm

−−−−


3

kisela otopina



[H

+

] > 10

−−−−


7

mol dm

−−−−


3

; [ OH


] < 10


−−−−

7

mol dm



−−−−

3

lužnata otopina



[H

+

] < 10



−−−−

7

mol dm



−−−−

3

;



[OH

−−−−


] > 10

−−−−


7

mol dm

−−−−


3

Koncentracija vodikovih iona služi kao mjera za kiselost i

lužnatost otopina.

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Da se vrijednost koncentracije vodikovih iona ne mora



izražavati takvom

visokom


negativnom

potencijom,

danski kemi

č

ar



P. L. Sørensen

je predložio da se

izražava samo negativnim eksponentom potencije, tzv.

eksponentom

ili


potencijom vodikovih iona



pH

.

pH = - log ([H

+

] / mol dm

−−−−


3

);

[H

+



] = 10

−−−−


pH

pOH = - log ([OH

−−−−


] / mol dm

−−−−


3

);

[OH


] = 10


−−−−

pOH


[H

+

] · [ OH



] = 10


−−−−

14

mol



2

dm

−−−−



6

;

pH + pOH = 14



10

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

neutralna otopina

pH = 7

kisela otopina



pH < 7

lužnata otopina

pH > 7



Danas



je

pH

definiran



elektromotornom

silom


odgovaraju

ć

eg



č

lanka i standardnim puferima, tj.



pH je

definiran

postupkom

odre

ñ

ivanja,

odnosno

mjerenja

.





pH vrijednost otopina

obi

č

no ima vrijednosti izme

ñ

u

0

i

14

, no može biti i pH < 0 i pH > 14.

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju


11

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

I

ndikatori

su tvari kojima se može odrediti da li je neka

otopina kisela, lužnata ili neutralna. To su naj

č



ć

e

organske



molekule

velike


molekulske

mase,


a

po

kemijskom sastavu su slabe kiseline ili baze.



metiloranž

+ H


+

- H


+

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

kiselo

lužnato

neutralno

Indikator: 



metiloranž

12

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Za

približno odre



ñ

ivanje

pH vrijednosti služe trake papira

natopljene indikatorom (lakmus, univerzalni indikator itd.),

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

a za njihovo precizno mjerenje



pH metri

.


13

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

[H

+



] · [A

]





U vodenim otopinama



kiselina

postoji sljede

ć

a op


ć

enita


ravnoteža:

HA          H

+

+  A




K

a

=



[HA]



Konstanta ravnoteže dana je izrazom:





Konstantu



K

a

nazivamo


konstantom

disocijacije

kiseline

i mjera je jakosti kiseline.



Što je vrijednost

konstante disocijacije ve

ć

a to je kiselina ja

č

a

i

obratno. Naime, što je vrijednost konstante ve



ć

a, to je


ve

ć

a i koncentracija vodikovih iona u odnosu na



koncentraciju nedoscirane kiseline u otopini, odnosno

kiseline u molekulskom obliku.

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Prema


vrijednostima

konstante

disocijacije,

kiseline


obi

č

no dijelimo na:





vrlo slabe kiseline

K

a



10

−−−−


7

mol dm


−−−−

3





slabe kiseline

10

−−−−



7

mol dm


−−−−

3



K

a



10

−−−−


2

mol dm


−−−−

3





jake kiseline

10

−−−−



2

mol dm


−−−−

3



K

a



10

3

mol dm



−−−−

3





vrlo jake kiseline

K

a

> 10



3

mol dm


−−−−

3

.



14

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Kiselina

Reakcija disocijacije

K

a

/ mol dm

−−−−


3

HClO

4

HClO

4



→





H



+

+ ClO

4

−−−−


oko 10

10

HCl

HCl 



→





H



+

+ Cl

−−−−


oko 10

3

H

2

SO

4

H

2

SO

4



→





H



+

+ HSO

4

−−−−


oko 10

3

HNO

3

HNO

3







H

+

+ NO

3

−−−−


oko 20

H

2

SO

3

H

2

SO

3

H

+

+ HSO

3

−−−−


1,43 

·

10



2

H

3

PO

4

H

3

PO

4

H

+

+ H

2

PO

4

−−−−


1,1 

·

10



3

HCOOH

HCOOH

HCOO

−−−−


+ H

+

1,77 

·

10



4

CH

3

COOH CH

3

COOH

CH

3

COO

−−−−


+ H

+

1,75 

·

10



5

H

2

S

H

2

S          H

+

+ HS

−−−−


1,0 

·

10



7

HCN

HCN         H

+

+ CN

−−−−


6,2 

·

10



10

H

3

BO

3

H

3

BO

3

H

+

+ H

2

BO

3

−−−−


·

10



10

vrlo jake kiseline

; jake kiseline;

slabe kiseline

;

vrlo slabe kiseline

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Disocijacija poliprotonskih kiselina

H

2



SO

4

→



H

+

+ HSO



4

HSO



4

H



+

+ SO


4

2



K

a

= oko 10



3

mol dm


−−−−

3

K

a

= 2 · 10


−−−−

2

mol dm



−−−−

3

H



3

PO

4



H

+

+ H



2

PO

4





K

a

= 1,1 · 10



2

mol dm



−−−−

3

H



2

PO

4



H

+



+ HPO

4

2





K

a

= 1,2 · 10



7

mol dm



−−−−

3

HPO



4

2



H

+

+ PO



4

3



K

a

= 1,8 · 10



12

mol dm



−−−−

3


15

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

[BH


+

] · [OH


]





U vodenim otopinama

baza

postoji sljede

ć

a op


ć

enita


ravnoteža:

B  +  H


2

O          BH

+

+  OH




K

b

=



[B]



Konstanta ravnoteže dana je izrazom:





Konstantu



K

b

nazivamo


konstantom disocijacije baze

.

Što je vrijednost konstante disocijacije ve



ć

a to je

baza ja

č

a

i obratno.

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Jake

baze

su

svi



hidroksidi

alkalijskih

i

dio

hidroksida

zemnoalkalijskih

metala

,

npr.



NaOH,

Ca(OH)


2

, itd.




Slabe baze

su

ostali metalni hidroksidi

(npr. Fe(OH)

3

)



te

amonijev

hidroksid

(NH


4

OH),


s

obzirom


na

vrijednost

konstante

disocijacije

koja

iznosi


1,79 · 10

5



mol dm

3



.

NH

3



(aq)  +  H

2

O          NH



4

+

(aq) + OH



(aq)


[NH

4

+



] · [OH

]



K

b

=



[NH

3

]



= 1,79 · 10

5



mol dm

3



.

16

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Konstante disocijacije kiseline i baze povezane su i ovim



izrazima kojima se iz poznate konstante disocijacije

kiseline može izra

č

unati konstanta disocijacije baze i



obratno:

K

a

=



K

b

K

w

K

a

· K



b

K

w

= 10


14

mol



2

dm



6

K

b

=



K

a

K

w

dr.sc. M. Cetina, doc.



Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Puferske ili tamponske otopine

Puferske ili tamponske otopine su otopine



slabih kiselina i

njenih soli

i

slabih baza i njenih soli

koje neznatno

mijenjaju pH dodatkom kiseline ili baze.

Primjeri:

kiseli pufer

CH

3

COOH / CH



3

COONa


bazi

č

ni pufer



NH

4

OH / NH



4

Cl

važan primjer pufera u prirodi



H

2

CO

3

/ HCO

3

−−−−


17

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



doda li se 1 mL otopine NaOH



iste koncentracije

(c

b

= 1 mol dm



−−−−

3

) u 100 mL



puferske otopine

koja


sadrži octenu kiselinu koncentracije c

a

(CH



3

COOH) =


1

mol


dm

−−−−


3

i

natrijev



acetat

koncentracije



c

s

(CH



3

COONa) = 1 mol dm

−−−−

3

pH



ć

e se promijeniti

samo za 0,01

(4,74


4,75).


Ra

č

unski dokaz da otopine neznatno mijenjaju pH

dodatkom pufera:



doda



li

se

1



mL

otopine


NaOH

koncentracije



c

b

= 1 mol dm



−−−−

3

u 100 mL



č

iste vode

pH vrijednost

iznosit

ć

e 12

.

dr.sc. M. Cetina, doc.



Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Elektrokemija

prou

č

ava sve kemijske reakcije u kojima



dolazi do prijenosa elektrona (oksidacijsko-redukcijske

promjene).



Postoje 2 vrste elektrokemijskih



ć

elija:




galvanski

č

lanak



elektroliti



č

ki

č

lanak

Redoks ravnoteže

18

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Galvanski



č

lanak se sastoji od dvije razli

č

ite elektrode



uronjene u otopinu ili talinu svojih iona (elektrolita) koje

su me


ñ

usobno odjeljene polupropusnom membranom.

Ako se elektrode spoje do

ć

i



ć

e na elektrodama do

reakcija oksidacije i redukcije.

Galvanski polu

č

lanak -

jedna metalna elektroda uronjena u otopinu (talinu)

elektrolita.



Galvanski



č

lanak

je ure


ñ

aj u kojem se energija

kemijske reakcije (redoks-reakcije) pretvara u elektri

č

nu



energiju (

č

lanak služi kao izvor napona), a kemijske



reakcije su

spontane

.

dr.sc. M. Cetina, doc.



Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

A(-)

K(+)

Zn(s)    Cu(s)

Cu

2+



(aq) + Zn(s) 

→

Cu(s) + Zn



2+

(aq)


19

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Elektroni, koji su negativno nabijeni, teže putovati prema



podru

č

jima pozitivnog elektri



č

nog potencijala i zato

putuju od jedne elektrode prema drugoj u galvanskom

č

lanku.





Izme


ñ

u

metala i



otopine

postoji polje odre

ñ

enog


potencijala -

elektrodni potencijal

, ali je problem što se

razlika potencijala na jednoj grani

č

noj površini metal-



otopina ne može mjeriti.



Mjeriti se može



razlika potencijala

(



V) izme

ñ

u dviju



elektroda

(dvaju


polu

č

lanaka).



Ona

je

jednaka



elektromotornoj sili

ili skra


ć

eno


EMS

(

E



MF

).

Elektrodni potencijal

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Standardni elektrodni potencijal

(E

Ө

) se odre



ñ

uje


mjerenjem razlike elektrodnog potencijala galvanskog

č

lanka u kojem je jedan polu



č

lanak elektroda mjernog

redoks sustava, a drugi polu

č

lanak standardna vodikova



elektroda (

referentna elektroda

).





Standardna

vodikova


elektroda

ima


dogovorom

elektrodni potencijal



nula

uz [H


+

] = 1 mol dm

3

:



E

Θ

(H



+

|1/2H


2

) = 0,00 V.



20

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Dogovorom je odre



ñ

eno i da se



standardni elektrodni

potencijal

odnosi na redoks sustav napisan u obliku:

oksidirani oblikreducirani oblik. Npr.

E

Θ

= - 0,763 V.





Tako


ñ

er, dogovorom,



galvanski

č

lanak

se prikazuje

sljede

ć

om shemom:



Zn

2+

/Zn



Zn(s)

ZnSO


4

(aq)


CuSO

4

(aq)



Cu(s)

anoda

katoda

granica faza    

polupropusna membrana-

elektrolitski klju

č

 (KCl-agar)

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Elektrolitski klju



č

je ionski vodi

č č

iji ioni ne sudjeluju u



reakcijama na elektrodama. On uravnotežuje naboje u

otopini i elektri

č

ki povezuju elektrode.





Na katodi

se u prikazanom elektrodnom sustavu zbiva



redukcija

, a na


anodi oksidacija

.





Razlika elektrodnih potencijala



elektromotorna sila



č

lanka

(EMF) jednaka je razlici elektrodnih potencijala

katode i anode:

E

Θ

MF



E

k

E



a

.


21

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Zn(s)


Zn

2+

(aq)



Cu

2+

(aq) Cu(s)



E

Θ

= - 0,763 V 



E

Θ

=    0,340 V



Zn

2+

/Zn



Cu

2+

/Cu



E

Θ

MF



E

k

E



= 0,340 - (- 0.763) = 1,103 V

Zn(s) 

→

Zn



2+

(aq) + 2e

Cu

2+



(aq) + 2e

→



Cu(s)

Zn(s) + Cu

2+

(aq) 


→

Zn

2+



(aq)  + Cu(s)

katoda

anoda

red


1

→

oks



1

+ 2e


oks


2

+ 2e


→

red



2

red


1

+ oks


2

→

oks



1

+ red


2

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Što je standardni



elektrodni potencijal (

tzv. redoks

potencijal

)

pozitivniji

to je tvar

ja

č

e oksidacijsko

sredstvo

, a što je



negativniji

to je


ja

č

e redukcijsko

sredstvo

.





Redoks polureakcije svrstane su u tzv.

elektrokemijski

niz

ili


Voltin niz

(

A. Volta



) prema rastu

ć

im standardnim



elektrodnim potencijalima. U tablici elektrokemijskog

niza


su

sve


polureakcije

u

polu



č

lancima


uvijek

dogovorom napisane kao redukcija.



22

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Najja

č

e oksidacijsko sredstvo

Standardni elektrodni potencijali pri 25 

o

C

Najja

č

e redukcijsko sredstvo

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Standardni elektrodni potencijali ovise o materijalu



elektrode, efektivnoj koncentraciji iona u otopini i

temperaturi.



Primjena galvanskih



č

lanaka:




baterije (ireverzibilni galvanski

č

lanci)




akumulatori (reverzibilni galvanski

č

lanci).


23

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Elektrolitski



č

lanak

(elektrolitska

ć

elija) je ure



ñ

aj koji se

sastoji od dviju elektroda uronjenih u elektrolit, a na

elektrodama koje su priklju

č

ene na izvor istosmjerne



struje dolazi do reakcije oksidacije i redukcije



elektrolize

.



Kemijske reakcije koje se odvijaju u elektrolitskom



č

lanku


nisu spontane

.

Elektroliza

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Spontani proces

K (


+

)

A(



-

)

Daniellov



č

lanak Zn/Cu

Zn

se



otapa

Oksidacija

Redukcija

Oksidacija

Redukcija

Zn

se



taloži

A(

+



)

K(

-



)

Cu

se



taloži

Cu

se



otapa

+

-



(s narinutim naponom E

MF

č

lanka)

Elektroliza

– razlaganje tvari pod utjecajem elektri

č

ne struje



Nespontani proces



Prisilni obrnuti proces

-

Elektrolitska

ć

elija Zn/Cu

Galvanski

č

lanak Zn/Cu

K(-): Zn


2+

(aq) + 2e

→

Zn(s)



A(+) : Cu(s)

→

Cu



2+

(aq) + 2e

A(-): Zn(s)



→

Zn

2+



(aq) + 2e

K(+) : Cu



2+

(aq) +2e


→

Cu(s)



24

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Na elektrodama uvijek dolazi do reakcije za koje je

potrebna manja energija.

Primjer:


elektroliza vodene

otopine natrijevog klorida uz grafitne elektrode (inertne).

Ioni u otopini:

Na

+



, Cl

, H



+

, OH




A(+)

K(-)

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Mogu


ć

e reakcije na anodi (+):

2Cl



(aq) 



→

Cl

2



(g) + 2e

4OH



(aq)


→

O

2



(g) + 2H

2

O + 4e



Mogu


ć

e reakcije na katodi (-):

Na

+

(aq) + e



→

Na(s)



2H

2

O(l) + 2e− 



→

H

2



(g) + 2OH

(aq)



K(-): 2H

2

O(l) + 2e

→

H



2

(g) + 2OH



(aq)

A(+): 2Cl



(aq)

→

Cl



2

(g) + 2e



E

Θ

= + 1,36 V 



Ioni u otopini: Na

+

, Cl



, H


+

, OH




E

Θ

= + 0,40 V 



E

Θ

= - 2,71 V 



E

Θ

= - 0,83 V



25

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Svi metali koji se u elektrokemijskom nizu nalaze “iznad

vodika”, tj. imaju E

Θ

< 0, dobivaju se isklju

č

ivo


elektrolizom

talina

njihovih soli:

Li, Na, K..., Be, Ca, Mg, Al itd.

K(-): 2H

2

O(l) + 2e

→

H



2

(g

) + 2OH



(aq)

A(+): 2Cl

(aq)


→

Cl

2



(g) + 2e

Produkti elektrolize



vodene otopine

NaCl:


K(-): 2Na

+

+ 2e

→

2Na(s



)

A(+): 2Cl

(aq)


→

Cl

2



(g) + - 2e

Produkti elektrolize



taline

NaCl:


dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



Prvi Faraday-ev zakon elektrolize

Masa izlu

č

ene tvari na elektrodi pri procesu elektrolize

proporcionalna je koli

č

ini naboja (elektriciteta) koji je

prošao kroz elektrolitsku

ć

eliju

.

· t=



Q

=

n

· · F



· t

=

· F · z


– koli

č

ina elektriciteta (C = A s)



I

– jakost struje (A)



t

– vrijeme elektrolize (s)



– broj elektrona primljen ili otpušten na elektrodi potreban da bi

se izlu


č

io 1 mol tvari

Primjer: 4OH

(aq)



→

O

2



(g) + 2H

2

O(l) + 4e



;

= 4

M M M M

z z z z


F F F F

t t t tIIII

       mmmm



=

M

m

M

m

26

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju



F, Faradayeva konstanta,

predstavlja koli

č

inu naboja



koja je sadržana u 1 molu elektrona.

= množina elektriciteta koju prenosi 1 mol elektrona



N

A

· = 6,022 · 10



23

mol


1

· 1,6022 · 10



19

C =



96 485 C mol

1



.

dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Jednaka koli

č

ina elektriciteta izlu

č

i mase razli

č

itih tvari

u omjeru molekulskih masa njihovih ekvivalentnih

jedinki

.

Uz jednake koli



č

ine elektriciteta prilikom elektrolize dvaju

serijski spojenih elektrolitskih

ć

elija razli



č

itih tvari vrijedi:

Tada

je

omjer



masa

izlu


č

enih


tvari

jednak


omjeru

ekvivalentnih masa

(

M/z

) tih tvari, tj.

m

1

m

2

M

1

/ z

1

M

2

/ z

2

.

Drugi Faraday-ev zakon elektrolize



Q

1

Q



2



n

1

·

z



1

·

F = n



2

·

z

2

·

F





n

1

· z



1

n



2

· z



2

Download 1.37 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2020
ma'muriyatiga murojaat qiling