Uvod
Što je standardni redukcijski elektrodni potencijal? U čemu se razlikuju polučlanak i galvanski članak? Može li napon galvanskoga članka imati negativnu vrijednost? Hoće li veći napon imati galvanski članak čije su elektrode od zlata i srebra ili galvanski članak čije su elektrode od bakra i magnezija? Proučite sadržaje koji slijede i saznat ćete odgovore na postavljena pitanja.
Reaktivnost metala
Jedno od karakterističnih svojstava metala je mala energija ionizacije njihovih atoma. Što je manja energija ionizacije atoma nekog metala, to je veća njegova redukcijska sposobnost. Prema redukcijskoj sposobnosti metale možemo svrstati u niz od najjačih do najslabijih reducensa. U tome se nizu nalaze i reducirani i oksidirani oblik metala. Iako je nemetal, u taj je niz uključen i vodik jer može tvoriti katione.
Jedno od karakterističnih svojstava metala je mala energija ionizacije njihovih atoma.
Što je manja energija ionizacije atoma nekog metala,
to je veća njegova redukcijska sposobnost.
Prema redukcijskoj sposobnosti metale možemo svrstati
u niz od najjačih do najslabijih reducensa.
U tome se nizu nalaze i reducirani i oksidirani oblik metala.
Iako je nemetal, u taj je niz uključen i vodik jer može tvoriti katione.
Obratite pozornost kako magnezij, željezo i bakar reagiraju s klorovodičnom kiselinom.
|
Magnezij burno reagira s klorovodičnom kiselinom. U reakciji magnezija i klorovodične kiseline, osim magnezijeva klorida nastaje vodik. |
Željezo reagira s klorovodičnom kiselinom, manje burno od magnezija. U reakciji željeza i klorovodične kiseline, osim željezova(II) klorida nastaje vodik. |
Bakar ne reagira s klorovodičnom kiselinom. |
Analogno konjugiranom kiselo-baznom paru, za svaki redoks par vrijedi: ako je oksidirani oblik redoks para jaki oksidans, reducirani oblik redoks para bit će slabi reducens i obratno.
Primjerice, u reakciji bakra s klorovodičnom kiselinom nema spontane rekacije jer je Cu (reducirani oblik redoks para Cu/Cu2+) slabi reducens, ali zato je Cu2+ (oksidirani oblik redoks para Cu/Cu2+) jaki oksidans.
[latex]oks_1+red_2\rightleftharpoons red_1+oks_2[/latex]
Atomi metala su zbog male energije ionizacije elektron donori, prema tome, na lijevoj se strani PSE-a nalaze reducensi. Atomi nemetala su zbog velikog elektronskog afiniteta elektron akceptori, prema tome na desnoj se strani PSE-a nalaze oksidansi.
Atomi metala su zbog male energije ionizacije elektron donori.
Prema tome, na lijevoj se strani PSE-a nalaze reducensi.
Atomi nemetala su zbog velikog elektronskog afiniteta elektron akceptori.
Prema tome na desnoj se strani PSE-a nalaze oksidansi.
Metali koji su jači reducensi reducirat će katione onih metala koji su slabiji reducensi, pa će se pri tome sami oksidirati.
Metali koji su jači reducensi reducirat će katione onih metala koji su slabiji reducensi.
Pri tome će se sami oksidirati.
Da bi reakcija bila moguća, metal veće redukcijske sposobnosti mora biti u elementarnom stanju, a metal manje redukcijske (tj. veće oksidacijske) sposobnosti, u ionskom obliku. U protivnom spontana reakcija nije moguća.
Zn(s) + Cu[latex]^{2+}[/latex](aq) [latex]\rightarrow [/latex] Cu(s) + Zn[latex]^{2+}[/latex](aq)
Cu(s) + ZnSO[latex]_{_4}[/latex](aq) [latex]\rightarrow [/latex] nema spontane reakcije
Reaktivnost nemetala
Fluor je najjače oksidacijsko sredstvo jer njegovi atomi imaju najveću elektronegativnost. Prema tome, fluor je među halogenim elementima najjači oksidans, a jod najjači reducens.
[latex]F_2>Cl_2>Br_2>I_2[/latex]
Kao i kod metala, nemetali koji su jači oksidansi, oksidirat će anione onih nemetala koji su slabiji oksidansi, pa će se pri tome sami reducirati. Primjer takvog ponašanja je reakcija istiskivanja u kojoj element veće oksidacijske sposobnosti istiskuje element manje oksidacijske sposobnosti.
Dokapavanjem koncentrirane klorovodične kiseline na kalijev permanganat oslobađa se klor:
[latex]2KMnO_4\left(s\right)+16HCl\left(konc.\right)\longrightarrow 5Cl_2\left(g\right)+2MnCl_2\left(aq\right)+2KCl\left(aq\right)+8H_2O\left(l\right)[/latex]
koji istiskuje brom iz vodene otopine kalijeva bromida. Jednadžba opisane reakcije:
[latex]Cl_2\left(g\right)+2KBr\left(aq\right)\space \rightleftharpoons \space Br_2\left(I\right)+2KCl\left(aq\right)[/latex]
Galvanski članak
Galvanski članak proizvodi električnu struju koja nastaje kao rezultat neke spontane reakcije koja se u njemu odvija. U galvanskome se članku kemijska energija neke redoks-reakcije pretvara u električnu.
Galvanski je članak sačinjen od dva polučlanka. Općenito, polučlanak čini metal uronjen u otopinu vlastitih iona. Primjerice, metalna pločica cinka uronjena u vodenu otopinu cinkova sulfata je jedan polučlanak, a bakrena pločica uronjena u vodenu otopinu bakrova(II) sulfata drugi polučlanak.
Otopine u čašama povezane su elektrolitskim mostom, a elektrode (cinkova i bakrena pločica) su međusobno spojene metalnim vodičima preko voltmetra.
Galvanski članak proizvodi električnu struju koja nastaje kao
rezultat neke spontane reakcije koja se u njemu odvija.
U galvanskome se članku kemijska energija neke redoks-reakcije pretvara u električnu.
Galvanski je članak sačinjen od dva polučlanka.
Općenito, polučlanak čini metal uronjen u otopinu vlastitih iona.
Primjerice, metalna pločica cinka uronjena u
vodenu otopinu cinkova sulfata je jedan polučlanak.
Bakrena pločica uronjena u vodenu otopinu bakrova(II) sulfata drugi polučlanak.
Otopine u čašama povezane su elektrolitskim mostom.
Elektrode (cinkova i bakrena pločica) su
međusobno spojene metalnim vodičima preko voltmetra.
Izvor slike: E. Generalić, galvanski članak
je savinuta staklena cjevčica ispunjena koncentriranom otopinom elektrolita (primjerice kalijeva nitrata) u agar-agar gelu. Elektrolitski most omogućuje izmjenu iona između polučlanaka. Budući da anodnom reakcijom dolazi do povećanja koncentracije cinkovih iona, iz elektrolitskog mosta u anodni prostor ulaze kloridni ioni koji služe za neutralizaciju pozitivnog naboja. Analogno tome, u katodnom prostoru smanjuje se koncentracija bakrovih iona pozitivnog naboja, pa u anodni prostor iz elektrolitnog mosta ulaze kalijevi ioni. Elektrolitski most, pored navedene funkcije ima i važnu funkciju zatvaranja strujnog kruga.
Elektrode, anoda i katoda, se međusobno razlikuju po vrsti reakcije koja se na njima odvija.
Anoda je elektroda na kojoj se uvijek događa reakcija oksidacije, a katoda ona elektroda na kojoj se uvijek događa reakcija redukcije.
Elektrolitski most je savinuta staklena cjevčica
ispunjena koncentriranom otopinom elektrolita u agar-agar gelu.
Primjer otopine elektrolita je kalijev nitrat.
Elektrolitski most omogućuje izmjenu iona između polučlanaka.
Anodnom reakcijom dolazi do povećanja koncentracije cinkovih iona.
Iz elektrolitskog mosta u anodni prostor ulaze
nitratni ioni koji služe za neutralizaciju pozitivnog naboja.
Analogno tome, u katodnom prostoru smanjuje se
koncentracija bakrovih iona pozitivnog naboja.
U anodni prostor iz elektrolitnog mosta ulaze kalijevi ioni.
Elektrolitski most, pored navedene funkcije ima i važnu funkciju zatvaranja strujnog kruga.
Elektrode, anoda i katoda, se međusobno razlikuju po vrsti reakcije koja se na njima odvija.
Anoda je elektroda na kojoj se uvijek događa reakcija oksidacije.
Katoda je ona elektroda na kojoj se uvijek događa reakcija redukcije.
Struja koja protječe galvanskim člankom posljedica je reakcija na elektrodama.
anoda (–) Zn(s) [latex]\rightarrow [/latex] Zn[latex]^{2+}[/latex](aq) + 2e[latex]^–[/latex] oksidacija
katoda (+) Cu[latex]^{2+}[/latex](aq) + 2e[latex]^–[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] Cu(s) redukcija
Zbirna reakcija u galvanskome članku je:
Zn(s) + Cu[latex]^{2+}[/latex](aq) [latex]\rightarrow [/latex] Zn[latex]^{2+}[/latex](aq) + Cu(s)
Ovaj je galvanski članak izumio 1835. g John Frederic Daniell, pa je po njemu dobio naziv Daniellov članak.
Shematski prikaz Daniellovog članka:
Zn(s)| Zn[latex]^{2+}[/latex](aq) || Cu[latex]^{2+}[/latex](aq)| Cu(s)
oksidacija redukcija
Crta označava granicu između elektrode i elektrolita, a dvostruka crta označava elektrolitski most.
Daniellov članak
Standardna vodikova elektroda
Elektrodni potencijal neke elektrode određuje se tako da se ispitivana elektroda spoji kao katoda, a standardna vodikova elektroda kao anoda. sastoji se od platinske pločice prevučene slojem spužvaste platine, uronjene u otopinu klorovodične kiseline množinske koncentracije vodikovih iona 1 mol dm–3. Spužvasta platina adsorbira čisti vodik koji se dovodi pod tlakom od 100 kPa do zasićenja, pa se platinska elektroda može smatrati standardnom vodikovom elektrodom.
Prema IUPAC-u elektrodni se potencijal odnosi na polureakcije redukcije.
Standardni redukcijski elektrodni potencijal standardne vodikove elektrode dogovorno je nula pri svim temperaturama.
2H[latex]_3[/latex]O[latex]^+[/latex](aq) +2e– [latex]\rightarrow [/latex] H[latex]_2[/latex](g) + 2H[latex]_2[/latex]O(l); E°(2H[latex]^+[/latex]/H[latex]_2[/latex]) = 0
Elektrodni potencijal neke elektrode određuje se tako da se ispitivana elektroda spoji kao katoda,
a standardna vodikova elektroda kao anoda.
Standardna vodikova elektroda sastoji se od platinske pločice prevučene slojem spužvaste platine.
Uronjena je u otopinu klorovodične kiseline množinske koncentracije vodikovih iona 1 mol dm–3.
Spužvasta platina adsorbira čisti vodik koji se dovodi pod tlakom od 100 kPa do zasićenja.
Platinska elektroda može smatrati standardnom vodikovom elektrodom.
Prema IUPAC-u elektrodni se potencijal odnosi na polureakcije redukcije.
Potencijal standardne vodikove elektrode dogovorno je nula pri svim temperaturama.
2H[latex]_3[/latex]O[latex]^+[/latex](aq) +2e– [latex]\rightarrow [/latex] H[latex]_2[/latex](g) + 2H[latex]_2[/latex]O(l); E°(2H[latex]^+[/latex]/H[latex]_2[/latex]) = 0
Izvor slike: E. Generalić, standardna vodikova elektroda
Potencijal galvanskog članka ili napon članka, E[latex]_{čl}[/latex], čini razlika standardnih redukcijskih elektrodnih potencijala katode i anode.
Proces je spontan kada je razlika elektrodnih potencijala pozitivna vrijednost (E[latex]_{čl}[/latex] > 0).
E[latex]_{čl}[/latex] = E[latex]_{katoda}[/latex] – E[latex]_{anoda}[/latex]
Pomoću podataka za vrijednosti standardnih redukcijskih elektrodnih potencijala, koji se mogu naći u tablici, moguće je izračunati napon bilo kojeg galvanskog članka, primjerice, Daniellova članka:
E°(Zn[latex]^{2+}[/latex]/Zn) =–0,76 V
E°(Cu[latex]^{2+}[/latex]/Cu) = 0,34 V
E[latex]_{čl}[/latex] = E[latex]_{katoda}[/latex] – E[latex]_{anoda}[/latex]
= 0,34 V – (–0,76 V)
= 1,10 V
Što je standardni elektrodni potencijal, E°, negativniji, to je metal jači reducens (lakše se oksidira), odnosno, što je standardni elektrodni potencijal pozitivniji, to je jači oksidans (lakše se reducira).
Baterije i njihova uporaba
Najpoznatiji galvanski članak je Leclanchéov članak. Izumio ga je 1866. Georges Leclanché (1839. – 1882.) francuski elektroinženjer.
Leclanchéov članak je izrađen od cinkove posudice, anode, zaštićene metalnim plaštom. Atomi cinka oksidacijom prelaze u cinkove ione, zbog čega stijenke posudice postaju sve tanje. Katoda je grafitni štapić uronjen u smjesu manganova(IV) oksida, i čađe, C.
[latex]Zn(s)+2MnO_2(s)+2NH_4^+(aq)\longrightarrow Mn_2O_3(s)+2NH_3(aq)+Zn^{2+}(aq)+H_2O(l)[/latex]
Leclanchéov članak je izrađen od:
- cinkove posudice,
- anode,
- metalnog plašta koji ih štiti.
Atomi cinka oksidacijom prelaze u cinkove ione.
Zbog toga stijenke posudice postaju sve tanje.
Katoda je grafitni štapić uronjen u smjesu manganova(IV) oksida, i čađe, C.
Napon Leclanchéovog članka iznosi 1,5 V. Veći napon može se postići serijskim povezivanjem članaka. Današnje baterije imaju niz prednosti u odnosu na prvi Leclanchéov članak. Punjive su, imaju veći napon, trajnije su i mogu se koristiti pri nižim temperaturama.
Napon Leclanchéovog članka iznosi 1,5 V.
Veći napon može se postići serijskim povezivanjem članaka.
Današnje baterije imaju niz prednosti u odnosu na prvi Leclanchéov članak.
Punjive su, imaju veći napon, trajnije su i mogu se koristiti pri nižim temperaturama.
je reverzibilni galvanski članak. Pri punjenju akumulatora električna se energija pretvara u kemijsku, a pri pražnjenju kemijska u električnu.
[latex]Pb(s)+PbO_2+2H_2SO_4(aq)\rightleftharpoons 2PbSO_4(s)+2H_2O(l)[/latex]
Problemski zadatak
Na mrežnom mjestu 1 pročitajte više informacija o olovnom akumulatoru. Samostalnim radom priredite kraći izvještaj u nekom prezentacijskom alatu, kojim ćete prezentirati svoje spoznaje o olovnom akumulatoru. Istražite na koji se način odgovorno treba zbrinuti olovni akumulator.
Gorivni članci jesu vrsta galvanskih članaka u kojima se kemijskom reakcijom između goriva, primjerice vodika i oksidansa, npr. kisika, dobiva električna energija.
U vodikovoj gorivnoj ćeliji se vodik u prisutnosti platine kao katalizatora oksidira s kisikom iz zraka pri čemu nastaje voda. Porozne grafitne elektrode mogu propuštati plinoviti vodik i kisik.
Gorivni članci su vrsta galvanskih članaka u kojima se
kemijskom reakcijom između goriva dobiva električna energija.
Primjer je kemijska rekacija vodika i oksidansa, npr. kisika.
U vodikovoj gorivnoj ćeliji se vodik u prisutnosti platine
kao katalizatora oksidira s kisikom iz zraka pri čemu nastaje voda.
Porozne grafitne elektrode mogu propuštati plinoviti vodik i kisik.
Pri proučavanju slike obratite pozornost da su molekule kisika označene plavom, a molekule vodika crvenom bojom.
Na anodi se vodik oksidira, a na katodi se kisik reducira. Jednadžbe reakcija jesu:
anoda (–) H[latex]_2[/latex](g) [latex]\rightarrow [/latex] 2H[latex]^+[/latex](g) + 2e[latex]^–[/latex] /·2
katoda (+) O[latex]_2[/latex](g) + 4H[latex]^+[/latex](g) + 4e[latex]^–[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] 2H[latex]_2[/latex]O(l)
______________________________
2H[latex]_2[/latex](g) + O[latex]_2[/latex](g) [latex]\rightarrow [/latex] 2H[latex]_2[/latex]O(l)
Opisana redoks-reakcija uzrokuje proticanje elektrona u vanjskom strujnom krugu.
Na anodi se vodik oksidira, a na katodi se reducira kisik. Jednadžbe reakcija jesu:
anoda (–) H[latex]_2[/latex](g) [latex]\rightarrow [/latex] 2H[latex]^+[/latex](g) + 2e[latex]^–[/latex] /·2
katoda (+) O[latex]_2[/latex](g) + 4H[latex]^+[/latex](g) + 4e[latex]^–[/latex] [latex]\rightarrow [/latex] 2H[latex]_2[/latex]O(l)
______________________________
2H[latex]_2[/latex](g) + O[latex]_2[/latex](g) [latex]\rightarrow [/latex] 2H[latex]_2[/latex]O(l)
Opisana redoks-reakcija uzrokuje proticanje elektrona u vanjskom strujnom krugu.
Litij-ionska baterija
Posebno važan je pronalazak litij-ionske baterije koja je punjiva, ima veliki elektrodni potencijal, malu masu i mali volumen, te je na taj način omogućen prijenos informacija bez žica i skladištenje relativno velikih količina energije. Tri su znanstvenika 2019. godine dobili Nobelovu nagradu za kemiju za otkriće i razvoj litij-ionske baterije.
Posebno važan je pronalazak litij-ionske baterije.
Ona je punjiva, ima veliki elektrodni potencijal, malu masu i mali volumen.
Na taj način omogućen prijenos informacija bez žica
i skladištenje relativno velikih količina energije.
Tri su znanstvenika 2019. godine dobili Nobelovu nagradu za kemiju
za otkriće i razvoj litij-ionske baterije.
Primjena baterija
Baterije se koriste kao izvori struje u dječjim igračkama, satovima, kalkulatorima, mnogim kućanskim aparatima, ali i u automobilima.