Elektrolyty. Disociace termická disociace (pomocí zvýšené teploty) elektrolytická disociace (pomocí polárního rozpouštědla)

Transkript

1 Elektrolyty

2 Elektrolyty látky, které při rozpouštění nebo tavení disociují (štěpí se) na elektricky nabité částice (ionty) jejich roztoky a taveniny jsou elektricky vodivé kyseliny, hydroxidy, soli Ionty částice s nábojem (elektricky nabité částice) vznikají štěpením elektroneutrálních molekul kationty (kladný náboj) a anionty (záporný náboj) Disociace termická disociace (pomocí zvýšené teploty) elektrolytická disociace (pomocí polárního rozpouštědla)

3 Elektrolyty Termická disociace dodáním tepla dojde ke zvýšení kinetické energie iontů kmitajících kolem rovnovážných poloh. V případě, že kinetická energie iontů je tak vysoká, že vazebné síly nestačí k udržení iontů v mřížce, dojde k uvolnění iontů z mřížky

4 Elektrolyty Elektrolytická disociace Disociace látek s iontovou mřížkou Molekuly rozpouštědla se orientují k iontů na povrchu mřížky. Dojde k oslabení vazebných sil mezi ionty a tím se ionty uvolní do roztoku

5 Elektrolyty Elektrolytická disociace Disociace látek s velmi polární kovalentní vazbou Interakce polárních molekul elektrolytu a polárních molekul rozpouštědla zvětší polarizaci kovalentní vazby uvnitř polární molekuly rozpouštěné látky. Zvětšení polarizace vede k uplnému rozštěpení molekuly elektrolytu. Ionty v roztoku nejsou volné. Ionty jsou obalené molekulami rozpouštědla (solvatační obal) V případě vody hydratace hydratační obal HCl, CH 3 COOH...

6 Elektrolyty Iontová rovnováha elektrolytů Disociace část molekul nemusí být v roztoku zcela disociována nastává rovnovážný stav (charakterizován rovnovážnou konstantou disociační konstanta) disociační konstanta K d disociační stupeň a

7 Elektrolyty Disociační konstanta Disociačnístupeň (Arrhenius) Ostwaldův zákon čím nižší koncentrace elektrolytu, tím větší část molekul elektrolytuje disociována

8 Elektrolyty Rozdělení dle míry disociace Slabé elektrolyty jen málo disociovány převážná část elektrolytu ve formě elektroneutrálních molekul se snižující se koncentrací elektrolytu, roste míra disociace dojde k ustavení rovnováhy (vratná reakce) H 3 PO 4, H 2 S, NH 3, HCN, HF, HClO, fenol, většina organických látek...

9 Elektrolyty Rozdělení dle míry disociace Silné elektrolyty prakticky zcela disociovány na ionty skoro všechen elektrolyt ve formě iontů nedojde k ustavení rovnováhy (jednosměrná reakce) H 2 SO 4, HCl,HNO 3, HClO 3, HClO 4, NaOH, KOH, LiOH, HI, většina solí

10 Roztoky Ideální roztok zředěné roztoky (nízká koncentrace elektrolytu) vzdálenosti mezi ionty jsou velké (zanedbatelné elektrostatické interakce) ionty se pohybují nezávisle na sobě popis pomocí koncentrace Reálné roztoky koncentrované roztoky (koncentrace elektrolytuvelká) vzdálenosti mezi ionty jsou nižší (vliv elektrostatických interakcí na chování iontů) ionty se nepohybují nezávisle na sobě popis pomocí aktivity

11 Roztoky Aktivita (termodynamická koncentrace) respektuje vzájemné interakce iontů aktivitní součinitel (koeficient) závisí na koncentraci a daném roztoku aktivitní součinitel pro nízké koncetrace se blíží 1

12 Teorie kyselin a zásad Arrhenius Ostwaldova teorie kyseliny jsou látky schopné odštěpit vodíkový kationt H + hydroxidy jsou látky schopny odštěpit hydroxidový anion OH - použitelná jen pro vodné roztoky (jen vodné roztoky kyselin a zásad) jednoznačně dán kyseliý a zásaditý charakter jednoduché vysvětlenířady ecidobazickýchdějů

13 Teorie kyselin a zásad Brönsted Lowryho teorie kyseliny jsou látky schopné odštěpit proton H + zásady jsou látky schopné vázat proton H + (konjugované báze) při acidobazických reakcích dochází k přenosu protonu (protolytické reakce) použitelná nejenom pro vodu relativita pojmu kyselina a zásada vše je závislé na schopnosti látky vázat či uvolňovat proton

14 Teorie kyselin a zásad Protolytickýsystém (konjugovaný pár) Silná kyselina slabá báze Slabá kyselina silná báze Silnábáze slabákyselina Slabábáze silnákyselina Protolytická reakce je tvořena vždy dvěma protolytickými systémy jeden proton uvolní a druhý proton přijme

15 Teorie kyselin a zásad Amfiprotní látky látky, které mohouprotony přijímat i odštěpovat voda, kapalný metan, kapalný etan... Aprotní látky protony nepřijímají ani neodevzdávají nezúčastňují se protolytických reakcí benzen, terachlormetan...

16 Teorie kyselin a zásad Iontový součin vody (konstanta disociace vody) vyjadřuje rovnováhu mezi ionty H + a OH - ve vodě i ve vodných roztocích pro teplotu 25 ᴼC je roven 10-14

17 Teorie kyselin a zásad Silné jednosytné kyseliny a zásady úplná disociace kyseliny aktivita = koncentraci H +

18 Teorie kyselin a zásad Silné dvousystné kyseliny Silné dvousytné zásady

19 Teorie kyselin a zásad Slabé jednosytné kyseliny

20 Teorie kyselin a zásad Slabé jednosytné zásady

21 Teorie kyselin a zásad Rozdělení roztoků podle ph Kyselé koncentrace H + > koncentraci OH - Neutrální koncentrace H + = koncentraci OH - Zásadité koncentrace H + > koncentraci OH -

22 Teorie kyselin a zásad Neutralizace vzájemná reakce kyseliny a hydroxidu za vzniku soli a vody možnost titračního stanovení obsahu kyseliny a zásady v roztocích

23 Teorie kyselin a zásad Hydrolýza solí interakce mezi ionty disociované soli a vodíkovými ionty vodné roztoky solí reagují kysele, zásaditě i neutrálně kyselina chlorovodíková a hydroxid sodný chlorid sodný (neutrální reakce) kyselina chlorovodíková a hydroxid amonný chlorid amonný (kyselá reakce) kyselina octová a hydroxid sodný octan sodný (zásaditá reakce)

24 Teorie kyselin a zásad ph soli slabé kyseliny a silné zásady ph soli slabé zásady a silné kyseliny ph soli slabé kyseliny a slabé zásady

25 Teroie kyselin a zásad Amfolyt látka chovající se podle podmínek buď jako kyselina nebo jako zásada obsahujíjak kyselé tak zásadité funkčnískupiny při určitém ph (izoelektrický bod) se amfolyty vyskytujíve formě zwiterionu (amfiontu) kyselé i zásadité skupiny jsou disociovány a molekula je navenek elektronuetrální hydrogenuhličitany, aminokyseliny...

26 Teorie kyselin a zásad Tlumivé roztoky (pufry) konjugovaný pár kyseliny a nebo zásady a jejich soli je schpný udržovat v jistém rozmezí stabilní ph po přidání kyseliny nebo zásady směs slabých kyselin a jejich solí nebo směsi slabých bází a jejich solí (krev, kyselina octova + octan sodný...) pufrační kapacita je maximlání, pokud je koncentrace obou konjugovaných složek pufru stejná (při ph = pk a pufru) přibližná hodnota ph je dána Handersonovou-Hasselbachovou rovnicí

27 Teorie kyselin a zásad Měření ph acidobazické indikátory, indikátorové papírky, ph metry

28 Součin rozpustnosti rozpuštěná sůlúplně disociuje na ionty dojde k ustavení rovnováhy mezi rozpuštěnou a nerozpuštěnou solí rovnovážná konstanta se nazývá součin rozpustnosti K s

29 Elektrochemie

30 Elektrochemie Oxidačně-redukční děje oxidačně redukční (redox) děj je každá reakce, při níž dochází k převodu elektronů od jejich donoru (redukčního činidla) k akceptoru (oxidačnímu činidlu). dochází ke změně oxidačního čísla

31 Elektrochemie zabývá se rovnováhami a ději v soustavách, kde alespoň jedna ze složek je schopna nést elektrický náboj soustava se skládá z elektrod ponořených do elektrolytu propojených vnějším vodičem dochází k přeměně chemické energie na elektrickou elektrochemický článek elektrolyzér akumulátor (vratný elchem. čl.) termoelektrický článek chem. E na el. E el. E na chem. E chem. E na el. E a zpět zářivá E na el. E

32 Elektrochemie Vodiče látky schopné vést el. proud Rozdělení dle způsobu vedení proudu: Vodiče I. řádu (elektronové vodiče) Vodiče II. řádu (iontové vodiče) vedení proudu Vodiče I. řádu usměrněnýpohyb volných el. Vodiče II. řádu průchodemproudu neměníse mění se usměrněný pohyb iontů el. odpor (T=konst.) konstantní funkce koncentrace vliv T na odpor roste s rostoucí T klesá s rostoucí T Al, Cu, grafit roztoky a taveniny elektrolytů

33 Elektrochemie Elektrody vodič I. řádu přivádějící nebo odvádějící el. náboj do nebo z vodiče II. řádu polarita závisí na ději rozlišení podle děje docházejícímů na elektrodě (zda elektroda elektrony přivádí nebo odvádí) katoda elektrony do soustavy přivádí a dochází na ní k redukci (oxidační číslo se snižuje) anoda elektrony ze soustavy odvádí a dochází na ni k oxidaci (ox. číslo se během děje zvyšuje) vždy v soustavě docházi k oxidaci i redukci a celkový počet vyměněných el. v obou dílčích dějích musí být stejný směr proudu je stanoven dohodou opačný než je směr toku elektronů

34 Elektrochemie Mezi vodičem I. řádu a II. řádu probíhá elektrodový děj Soustava vodič I. řádu a vodič II. řádu se nazývá poločlánek Spojení dvou poločlánků článek Ušlechtilý kov kationty kovu se usazují na elektrodě kladně nabitá elektroda přitahuje k sobě záporně nabité ionty vznik dvojvrstvy Neušlechtilý kov kationty kovu přechází z elektrody do elektrolytu záporně nabitá elektroda přitahuje k sobě kladně nabité ionty vznik dvojvrstvy Děje probíhají až do ustavení rovnováhy

35 Elektrochemie Elektrický potenciál po ustavení rovnováhy a vytvoření elektrické dvojvrstvy elektrický potenciál elektrody (potenciál vrstvy nábojů na povrchu elektrody) elektrický potenciál elektrolytu potenciál vrstvy nábojů v elektrolytu těsně u povrchu elektrody Elektrické napětí elektrody (poločlánku) nelze přímo změřit. Lze změřit jen potenciální rozdíl mezi dvěma poločlánky.

36 Elektrochemie Článek rovnovážné napětí článku potenciálový rozdíl mezi dvěma poločlánky

37 Elektrochemie Elektrolytický článek soustava, které je z okolí dodávána energie proto, aby se uskutečnily žádané chemické přeměny katoda záporná elektroda (zdroj elektronů) anoda kladná elektroda Galvanický článek buď rovnovážná soustava nebo taková, která předává elektrickou práci svému okolí. na katodě probíhá redukce za odběru elektronů z elektrody (získávákladný náboj) na anodě probíhá oxidace přenos elektronů na elektrodu (získávázáporný náboj)

38 Elektrochemie Elektrolýza - Faradayovy zákony rozklad elektrolytů elektrickým proudem prochází-li elektrolyzérem konstantní proud I po dobu t, projde náboj Faradayova konstanta k elektrodové přeměně jednoho molu částic o mocentsví z je zapotřebí náboje zen A Nábojem Q lze vyloučit látkové množství

39 Elektrochemie Využití Faradayova zákonu přesné zjištění velikosti náboje na základě měření rozsahu chemické reakce způsobené tímto nábojem v coulometru. Coulometr na stříbro platinový kelímek s roztokem dusičnani stříbrného o koncentraci hm.% (katoda) a stříbrná tyčinka ponořená do tohoto roztoku (anoda) Coulometr na měď

40 Elektrochemie Coulometr na třaskavý plyn elektrickým proudem se rozkládá okyselená voda průchodem 1 F se rozloží ½ molu vody a vznikne ¾ molu plynné směsi vodíku s kyslíkem

41 Elektrochemie Elektrolýza výroba různých anorganických látek hydroxidu sodného, chloru, chlorečnanů, chloristanů, vodíku, peroxidu vodíku, hliníku galvanické pokovování ušlechtilým kovem (Ni, Cr, Ag, Au) na povrchu méně ušlechtilého kovu (Fe, mosaz) likvidace odpadů odstraňování kovů (Cu, Pb, Zn, Hg)

42 Elektrochemie Elektrodový potenciál potenciálový rozdíl mezi libovolnou elektrodou a standardní elektrodou

43 Elektrochemie Standardní elektroda vodíková elektroda platinový plíšek potažený platinovou černí (elektrolyticky vyloučená platina o velkém měrném povrchu) ponořený do roztoku kyseliny sírové/chlorovodíkové (zdroj H + ) o jednotkové aktivitě H + za standardníh podmínek (25 ᴼC, 101, 325 kpa). Roztok je probubláván vodíkem.

44 Elektrochemie Standardní elektrodovýpotenciál standardná podmínky (25 ᴼC, 101, 325 kpa, a = 1 mol/l) standardní elektrodový potenciál vodíkové elektrody je 0 V seřazení kovů dle stand. elektrodového potenciálu elektrochemická řada napětí (Beketova řada)

45 Elektrochemie Elektrodyprvního druhu Kationtové elektrodykovové např. Zn ponořený do roztoku ZnSO 4 aktivita čistých látek je rovna jedné Kationtové elektrodyamalgánové kov rozpuštěný ve rtuti a amalgan ponořený do roztoku iontů tohoto kovu

46 Elektrochemie Elektrodyprvního druhu Kationtové elektrodyplynové Vodíková elektroda Aniontové elektrody plynové Chlorová elektroda

47 Elektrochemie Elektrodydruhého druhu Chloridostříbrná elektroda tvořena stříbrným drátkem, který je pokryt vrstvou tuhého chloridu stříbrného. Plíšek je ponořen do roztoku obsahujícího chloridové ionty.

48 Elektrochemie Oxidačně-redukční elektrody tvořenušlechtilým kovem (Pt, Au, Hg) ponořeným do roztoku dvou rozpustných forem téže látky v různém oxidačním stupni chinhydronová elektroda platinový drátek ponořený do zkoumaného roztoku, do něhož je přidáno malé množství chinhydronu

49 Elektrochemie Koncentrační článek tyto články mají rozdílnou koncentraci elektroaktivní látky buď na elektrodách nebo v elektrolytu

50 Elektrochemie Primární článek články na jedno použití, jejichž činností se elektroaktivní látky spotřebují suchý článek Leclanchéův (napětí 1.5 V) lithiové články