Linkkejä, linkkejä, linkkejä?

Kohtaamisia sähkökemian kanssa Osa 5

Aiempien tapaamisten aikana olemme nähneet monia esimerkkejä galvaanisista kennoista - sellaisia, joilla on vain historiallinen merkitys, ja muita nykyään käytössä olevia. Solumaailma on hyvin rikas, joten on aika esitellä erilaisia ​​järjestelmiä kuin tähän mennessä näytetyt.

Epämetallit voivat olla myös puolisoluja

Ensinnäkin koe, joka vaatii kaksi grafiittielektrodia käytetyistä Leclanchet-elementeistä, sinkkibromidi ZnBr₂, virtalähde (kuten 4,5 V akku) ja välttämätön jännitemittari. Kotilaboratoriossa emme tietenkään löydä suositeltua sinkkisuolaa, mutta meidän tapauksessamme se korvataan onnistuneesti kaliumbromidi KBr:n ja sinkkisulfaatin (VI) ZnSO:n seoksella.₄. Kokoamme sarjan, joka koostuu kahdesta grafiittitangosta, kiinnitä se levyyn niin, että elektrodit ovat osittain upotettuina lasiin.

Kiinnitämme lankoja elektrodeihin mieluiten juotosraudalla (jätä siksi messinkiset "korkit" grafiittitankoihin, kun irrotat ne vanhasta akusta). Valmistamme myös pahvipalasta kalvon, jonka mitat sopivat 50-100 cm:n dekantterilasiin.³ (pahvi voidaan lisäksi lävistää tapilla).

Nyt liuotetaan osa mainituista suoloista veteen ja täytetään sitten lasi valmistetulla liuoksella (pitoisuus 5-10%). Aseta teline elektrodeineen astian reunaan ja kiinnitä johtojen päät litteän akun messinkilevyihin (napaisuudesta ei tällä hetkellä väliä) ja tarkkaile rakennettua järjestelmää.

Melkein välittömästi hopeanharmaa kiiltävä kerros kerrostuu akun negatiiviseen napaan kytketylle elektrodille. Valmistettu metallista sinkistä. Liuoksen kellertävänruskea väri näkyy lähellä toista elektrodia, joka on kytketty akun positiiviseen napaan. Vapaa bromi on värjätty grafiittitangon lähellä. Noin 5 minuutin kuluttua irrota johdot akun navoista. Mittaa jännite volttimittarilla (mittarin "miinus" on kytketty metallikerroksella peitettyyn elektrodiin).

Syventymättä elektrolyysin aikana tapahtuviin prosesseihin (keskustelemme niistä jossakin seuraavista kokouksista) voimme päätellä, että luotu kenno koostuu kahdesta elektrodista: sinkistä (sinkin liuoksessa grafiitille kerrostettu metallisinkki²⁺) ja bromi (liuos bromin ja bromidin Br^?). Hiili on vain sähkönjohdin (käytännössä elektrodimateriaalina käytetään usein tietyissä olosuhteissa ei-reaktiivisia aineita, kuten grafiittia, platinaa).

Yhdistetäänkö virtavastaanotin elektrodeihin? hehkulamppu, jonka käyttöjännite on 1,5 V (tässä tapauksessa myös liitäntöjen napaisuudella ei ole väliä). Kun järjestelmästä otetaan energiaa, havaitsemme metallikerrostuman asteittaisen katoamisen toiselta elektrodilta ja kellertävän värin katoavan toiselta elektrodilta. Aiemmin vapautuneet aineet reagoivat palauttaen alkuperäisen olomuotonsa. Reaktio on epäsuora, kun elektronit siirtyvät liitäntälangan kautta. Tämä on galvaanisten kennojen ydin.

Millaisia ​​reaktioita järjestelmässämme tapahtui? Sinkkielektrodille voimme varmasti antaa prosessiyhtälön:

 (-) Leima⁰ ? sinkki²⁺ + 2e^-

Toisella elektrodilla vapaa bromi pelkistyy bromianioneiksi:

 (+) Ei.₂ + 2e^- , 2 kpl^-

Siten solukaavio on seuraava (jätämme pois kalium- ja sulfaatti(VI)-ionit, jotka eivät osallistu reaktioihin):

 (-)С, Zn | ZnBr2aq? ZnBr2aq | C(+)

Meidän ei tarvitse käyttää aukkoa solussa. Sen käyttö kuitenkin estää bromia kulkeutumasta lähellä sinkittyä elektrodia ja reagoimasta suoraan kennojen välillä.

Epämetallit muodostavat puolisoluja kuten metallisia elementtejä. On tarpeen käyttää vain sopivaan liuokseen upotettua johdinta, joka osallistuu elektronien siirtoon. Halogeenien standardipotentiaalit ovat seuraavat (elektrodireaktio on samanlainen kuin bromille):

Puoli solua	F2/F?	Cl2/ Cl?	Br2/ Br?	I2/I?
E0 [V]	+ 2,87	+ 1,36	+ 1,07	+ 0,54

Fluorin tapauksessa potentiaaliarvo (korkein kaikista määritetyistä puolisoluista) laskettiin, ei mitattu. Syynä, kuten alkali- ja maa-alkalimetallien tapauksessa, on aktiivisen alkuaineen reaktio veden kanssa.

redox-solu

Seuraavaa koetta varten valmistamme seuraavat liuokset: rauta(III)kloridi, FeCl₃ pitoisuus 5 %, kaliumjodidi KI, jonka pitoisuus on 10 %, ja vesi-tärkkelyssuspensio. Sekoita muutama cm koeputkessa³ suolaliuokset ja lisää hetken kuluttua muutama tippa tärkkelyssuspensiota. Sisällön tummansininen väri ilmaisee vapaan jodin läsnäolon. Reaktio kirjoitetaan yhtälöllä:

 2 Fe³⁺ + 2i^- ? 2Fe²⁺ + minä₂

rauta(III)-kationit hapettavat jodidianionit vapaaksi alkuaineeksi, pelkistäen rauta(II)-ioneiksi.

Tärkkelysindikaattorin värin muutos vahvisti jodihiukkasten läsnäolon, mutta onko Fe-kationeja todella muodostunut?²⁺? Testataan tämä hypoteesi. Tyypillinen testi rauta(II)kationien havaitsemiseksi on reaktio kaliumheksasyanoferraatti(III)K:n kanssa₃[Fe(CN)₆], joka tunnetaan yleisesti nimellä kaliumferrisyanidi. Yhdiste muodostaa punaisia ​​kiteitä, toisin kuin samanniminen kaliumferrosyanidi (kalium(II)heksasyanoferraatti K₄[Fe(CN)₆]) keltaisilla kiteillä ? älkäämme sekoittako näitä kahta suhdetta. Toistamme edellisen kokeen, mutta tärkkelyssuspension sijasta lisäämme muutama tippa 1-prosenttista kaliumferrisyanidiliuosta. Jälleen reaktioastian sisältö muuttuu tummansiniseksi Turnbullin siniseksi kutsutun monimutkaisen yhdistelmän vuoksi:

 3 Fe²⁺ + 2 [Fe (CN)₆]^3- ? Usko₃[Fe(CN)₆]₂

Suosittelen, että epäuskoiset suorittavat kokeen rauta- ja rautaraudan suoloilla. Saamme sinisen sävyn vain ensimmäisen tapauksessa.

Kaada nyt kahteen pieneen dekantterilasiin, joiden tilavuus on 50-100 ml, useita rauta(III)kloridin ja kaliumjodidin liuoksia.³. Upota jokaiseen astiaan grafiittielektrodi, johon on kiinnitetty lanka (asetettu sopivalle jalustalle, jotta se ei putoa lasiin). Lisää myös vähän tärkkelyssuspensiota astiaan, jossa on kaliumjodidiliuosta. Kennon luomiseen tarvitset myös elektrolyysiavaimen (jossain edellisessä tapaamisessa tehty? Riittää KNO-tiivisteliuokseen kostutettu imupaperiliuska.₃). Elektrodien johtojen päät on kytketty jännitteen mittaamiseen asennetun yleismittarin liittimiin.

Määritämme volttimittarin kytkentöjen napaisuuden itse raudan (III) kationien ja jodin anionien reaktioyhtälön analyysin perusteella, panemme merkille, mitä ioneista ne antavat ja mitkä vastaanottavat elektroneja. Mittarin lukemat vahvistavat galvaanisen kennon toiminnan. Sitten kytkemme laitteen nykyiseen mittaukseen. Se on pieni (useita kymmeniä mA), joten meidän ei tarvitse käyttää lisävastaanotinta (esimerkiksi hehkulamppua) suojaamaan laitetta vaurioilta. Tummansinisen värin muodostuminen dekantterilasiin upotetun elektrodin ympärille kaliumjodidiliuoksen kanssa todistaa reaktion etenemisestä järjestelmässä. Milloin lisäämme vähän kaliumferrisyanidiliuosta rauta(III)-suolaravistimeen? myös siinä. Kirjataan ylös lasissa tapahtuvien prosessien yhtälöt:

 (-)2I^- ? ₂ + 2e^-

(+)2Fe³⁺ + 2e^- ? 2Fe²⁺ 

 ja solukaavio:

(-) Kanssa | CI_aq || FeCl_3aq | C (+)

Kennossa tapahtuvat samat reaktiot kuin substraattien sekoittamisen jälkeen koeputkessa (riittää lisätä anodiset ja katodiset prosessit sivuille), ja transformaatioiden tilaerottelu mahdollistaa siirtyneiden elektronien energian hyödyntämisen. solun puoliskojen välissä.

Rakentamaamme solua kutsutaan redox-soluksi. Nimi on yleinen, mutta harhaanjohtava. Loppujen lopuksi tiedämme, että hapettumis- ja pelkistysprosessit tapahtuvat jokaisessa linkissä. Kuinka määrittää redox-reaktion suunta (suoritetaan sekä solussa että koeputkessa)? Menetelmä on yksinkertainen:

1. Löydetäänkö fysikaalisista ja kemiallisista taulukoista vastaavien puolisolujen standardipotentiaalit? Fe-järjestelmälle³⁺/ Usko²⁺ tämä on +0,77 V; minulle₂/I^?: +0,54V.

2. Järjestelmä, jolla on suurempi potentiaali, on hapettava aine reaktiossa (kenno-katodi), ja puolikenno, jolla on pienempi potentiaali? kennon anodi, eli pelkistävä aine.

3. On kuitenkin muistettava, että järjestelmissä, joissa standardipotentiaalien arvoissa on pieni ero, joissain tapauksissa roolit voivat vaihdella (todelliset potentiaalit riippuvat mm. reagenssien pitoisuudesta).

Polttoainekenno

Kokoamme järjestelmän ensimmäisestä kokeesta, korvaamalla vain kaliumbromidin ja sinkkisulfaatin (VI) liuoksen 10-prosenttisella rikkihappoliuoksella (VI) H₂SO₄. 1-2 minuutin elektrolyysin jälkeen (tapahtuu kaasun vapautuessa elektrodeilla) sammuta virtalähde ja mittaa jännite volttimittarilla varovasti, jotta kaasukuplia ei poistu grafiitin pinnalta. Linkki luotu! Kun laite on kytketty nykyiseen mittaustilaan, voidaan havaita kaasukuplien katoaminen grafiittielektrodien pinnalta reaktion aikana. Menemättä yksityiskohtiin prosessista, joka aiheutti vapaan hapen ja vedyn laskeutumisen elektrodeille, reaktiot kennossa ovat seuraavat:

 (-)2H2? 4 tuntia⁺ + 4e^-

(+) The₂ + 4H⁺ + 4e^- ? 2h₂O

Kaiken kaikkiaan tapahtuu veden synteesin reaktio elementeistä.

Rakennettu järjestelmä on polttokennomalli. Polttoaineen ja hapettimen välisen reaktion energian suora muuntaminen sähköksi on erittäin hyödyllistä prosessin taloudellisuuden kannalta? Palamislämpöä ei tarvitse muuttaa höyryenergiaksi, joka vain käyttää turbiineja. Ei ole yllättävää, että tällaiset järjestelmät on suunniteltu ratkaisemaan energiaongelmia (ja jäte on puhdasta vettä). Rakennusmateriaalien hinta ja tarve tuottaa vetyä ovat kuitenkin suuri este.

Vaikka polttokennoja on käytetty sähkön tuottamiseen teknologisesti kehittyneimmillä alueilla, kuten avaruuslennoilla (joillakin toimialoilla kustannuksilla on toissijainen rooli), niiden historia on hyvin pitkä. Ensimmäisen toimivan vety-happikennon prototyypin rakensi brittiläinen keksijä William Robert Grove vuonna 1839.

Artikkelissa esitetään useita erityyppisiä linkkejä, jotka poikkeavat aiemmissa kokouksissa käsitellyistä. Kuten muutkin jaksot? hahmotellaan vain näiden järjestelmien ongelmat, jotka eivät ole tärkeitä vain energialähteenä. Tarve ylläpitää kohtuullista tekstikokoa tekee kuitenkin mahdottomaksi keskustella monista mielenkiintoisista linkkiin liittyvistä aiheista (kannustan kiinnostuneita lukijoita etsimään tietoa itse). Jakson seuraavassa jaksossa analysoimme puolisolupotentiaalien taulukkoa. Tarjolla on myös mielenkiintoisia kokemuksia.

sähköinen hakemus

redox-solu

Jokainen sähkökemiallinen kenno käy läpi hapettumisen (anodilla) ja pelkistyksen (katodilla). Kemiallisessa ammattikielessä redox-soluja kutsutaan kuitenkin tietyntyyppiseksi järjestelmäksi.

Kokeeseen tarvitaan kaliumjodidin KI ja rauta(III)kloridin FeCl liuoksia.₃ ja tärkkelyksen vesisuspensio (perunajauho). Tarvitset myös elektrolyyttisen avaimen, joka on täytetty väkevällä kaliumnitraattiliuoksella (V) KNO₃. Jos meillä ei ole avainta, riittää taittaa useita kertoja pehmopaperinauha tai kaliumnitraattiliuokseen kastettu puuvillalanka.

Käytämme elektrodeina käytettyjen Leclanche-kennojen grafiittisauvoja (kuva 1). Oikosulje elektrodien päät langalla ja upota ne dekantterilasiin, joissa on KI-liuoksia (lisättynä tärkkelyslietettä) ja FeCl:a.₃. Lisäksi yhdistämme lasiliuoksia elektrolyyttisellä avaimella tai jollakin sen korvikkeesta (kuva 2). Jonkin ajan kuluttua lasiin alkaa ilmestyä purppuraisia ​​raitoja kaliumjodidiliuoksella (kuva 3), jotka värjäävät astian vähitellen tummalla värillä (kuvat 4 ja 5). Se on tyypillinen tuote vapaiden jodimolekyylien ja tärkkelysmolekyylien yhdistelmästä. Jodi muodostui jodidianionien hapettumisen seurauksena kennon anodissa:

(-) Anodi: 2I^- ? ₂ + 2e^-

Toisella elektrodilla (katodilla) rauta(III)-ionit pelkistettiin:

(+) Katoda: 2Fe³⁺ + 2e^- ? 2Fe²⁺

Kokeessa luodulla redox-solulla on seuraava kaavio:

(-) C | CI_aq || FeCl_3aq | C (+)

jossa hiilisymboli C tarkoittaa grafiittielektrodia ja || ? elektrolyyttinen avain. Kokonaisreaktio järjestelmässä on anionien I hapettuminen^- Fe-kationien toimesta³⁺:

2 Fe³⁺ + 2i^- ? 2Fe²⁺ + minä₂

redox-solu

keskittymiskenno

Toiseen kokeeseen tarvitset: kuparisulfaatin (II) CuSO-liuoksen₄, kuparielektrodit, elektrolyyttinen avain täytetty väkevällä kaliumnitraattiliuoksella (V) KNO₃ ja yleislaskuri. Täytä yksi dekantterilasi CuSO-liuoksella.₄ja toinen samalla laimennuksella 1:100 (esimerkiksi 0,5 cm³ liuos, joka on otettu ensimmäisestä lasista, lisää vettä 50 cm:n tilavuuteen³) (kuva 6). Kun olet upottanut kuparilangat lasiin ja sulkenut piirin elektrolyyttisellä avaimella, mittaa kennon elektrodien välinen jännite. Se on pieni? noin tusina tai useita kymmeniä millivoltteja (kuva 7).

Elektrodeilla tapahtuu kuparin liukenemis- ja saostumisreaktioita:

(-) Anodi: Cu⁰ ? Kanssa²⁺ + 2e^- (vähemmän väkevä liuos)

(+) Katodi: Cu²⁺ + 2e^- ? Kanssa⁰ (väkevämpi liuos)

Kun molempien elektrodiprosessien yhtälöt on lisätty, käy ilmi, että kemiallista reaktiota ei tapahdu yhteensä! Kennon liikkeellepaneva voima on vain järjestelmän halu tasata molempien lasien pitoisuudet.