ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ

Για καλύτερη κατανόηση γίνεται αναφορά σε θέματα που αφορούν τον Αριθμό Οξείδωσης.

ΑΡΙΘΜΟΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ

 

ΜΕΡΟΣ 1^ο

ΑΝΑΛΥΣΗ  ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ  ΜΕ ΤΗ ΒΟΗΘΕΙΑ ΤΩΝ ΚΑΝΟΝΙΚΩΝ ΔΥΝΑΜΙΚΩΝ

ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΙΣ ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΙΚΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ

Οταν δίνονται 2 ημιαντιδράσεις αναγωγής και ζητείται να γραφεί η συνολική αντίδραση εργαζόμαστε ως εξής:

H ημιαντίδραση με το μικρότερο κανονικό δυναμικό δείχνει το σώμα που θα δράση σαν αναγωγικό δηλαδή θα 

δώσει e.  

Στην ημιαντίδραση με το μεγαλύτερο κανονικό δυναμικό το σώμα θα δράσει σαν οξειδωτικό δηλαδή θα πάρει ηλεκτρόνια.

1. ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΔΙΑΛΥΜΑΤΟΣ Fe²⁺  ΜΕ  ΚMnO₄

Εχουμε τις ημιαντιδράσεις:

MnO₄^? + 8 H⁺ + 5 e ? Mn²⁺ + 4 H₂O    (1)    Ε₁⁰  = 1.51 Volts

Fe³⁺ + e ? Fe²⁺        (2)                                    Ε₂⁰  = 0.77 Volts

Στην περίπτωση των παραπάνω ημιαντιδράσεων θα αντιστρέψουμε την (2) και θα την πολλ/σουμε επι 5 προκειμένου η τελική συνολική αντίδραση που θα προκύψει  απο το άθροισμά τους να μην έχει e στα 2 μέλη της.

5 Fe²⁺ ? 5Fe³⁺ + 5e 

MnO₄^? + 8 H⁺ + 5 e ? Mn²⁺ + 4 H₂O

----------------------------------------------------------

5 Fe²⁺   + MnO₄^? + 8 H⁺? 5Fe³⁺ + Mn²⁺ + 4 H₂O

Βρίσκουμε την ΗΕΔ του στοιχείου

Ε^ο = Ε_καθ - Ε_ανοδου= 1,51 - 0,77 = 0,74 Volts

H μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας  είναι : ΔG = -nFE^o = -RT InK_c . Με τον τρόπο αυτό υπολογίζουμε την σταθερά ισορροπίας της παραπάνω αντίδρασης.

Από την στοιχειομετρία της αντίδρασης προκύπτει ότι

5 mol Fe²⁺ αντιδρούν με 1mol MnO₄^?

Τα C1.V1  αντιδρούν με C2.V2

Δηλαδή C1.V1 = 5 C2.V2 

όπου τα C1,V1 αναφέρονται στην συγκέντρωση και όγκο του  Fe²⁺ και τα  C2,V2 στην συγκέντρωση και όγκο του ΚMnO₄ αντίστοιχα.

 

2. ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΔΙΑΛΥΜΑΤΟΣ Sn²⁺  ΜΕ  Κ₂Cr₂O₇

Οι ημιαντιδράσεις είναι :

Sn⁴⁺ + 2 e ? Sn²⁺         (1)              Ε₁⁰  =  0,151 Volts

Cr₂O₇^2? + 14 H⁺ + 6 e ? 2 Cr³⁺ + 7 H₂O     (2)         Ε₂⁰  = 1,33 Volts

Η αντίδραση (1) έχει μικρότερο κανονικό δυναμικό, άρα το σώμα δρά σαν αναγωγικό παρέχοντας ηλεκτρόνια. Την αντιστρέφουμε και πολλ/ζουμε επί 3 ώστε να απλοποιηθούν τα e στην τελική συνολική αντίδραση.

 3Sn²⁺  ?  3Sn⁴⁺ + 6 e

Cr₂O₇^2? + 14 H⁺ + 6 e ? 2 Cr³⁺ + 7 H₂O

------------------------------------------------------------

3Sn²⁺  + Cr₂O₇^2? + 14 H⁺  -> 3Sn⁴⁺ + 2 Cr³⁺ + 7 H₂O

Από την στοιχειομετρία της αντίδρασης προκύπτει ότι

3mol Sn²⁺  αντιδρούν με 1 mol Cr₂O₇^2?

Τα C1.V1    αντιδρούν με   C2.V2

Δηλαδή C1.V1 = 3 C2.V2.

όπου τα C1,V1 αναφέρονται στην συγκέντρωση και όγκο του  Sn²⁺ και τα  C2,V2 στην συγκέντρωση και όγκο του Κ₂Cr₂O₇ αντίστοιχα.

 

3. ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΔΙΑΛΥΜΑΤΟΣ Ι₂  ΜΕ  S₂O₃^2-

Οι ημιαντιδράσεις είναι : 

S₄O₆^2? + 2 e ? 2 S₂O₃^2?     (1)     Ε⁰  =0.08 Volts

I₂ + 2 e ? 2 I^?      (2)            Ε⁰  = 0.54 Volts

Η αντίδραση (1) έχει μικρότερο κανονικό δυναμικό, άρα το σώμα δρά σαν αναγωγικό δίνοντας ηλεκτρόνια. Την αντιστρέφουμε και και την προσθέτουμε στην (2) ώστε να απλοποιηθούν τα e στην τελική συνολική αντίδραση. 

2 S₂O₃^2?   ?   S₄O₆^2? + 2 e

I₂ + 2 e ? 2 I^? 

---------------------------------------------------

2 S₂O₃^2?  + I₂  -->  S₄O₆^2?  +  2 I^?

Από την στοιχειομετρία της αντίδρασης προκύπτει ότι:

2 mol S₂O₃^2?  αντιδρούν με 1 mol I₂

Τα C1.V1    αντιδρούν με   C2.V2

Δηλαδή C1.V1 = 2 C2.V2.

όπου τα C1,V1 αναφέρονται στην συγκέντρωση και όγκο του   S₂O₃^2? και τα  C2,V2 στην συγκέντρωση και όγκο του I₂ αντίστοιχα.

 

 Οι παραπάνω 3 οξειδοαναγωγικές ογκομετρήσεις δείχνονται στην προσομοίωση που ακολουθεί:

 Πατήστε  το 1. και  επιλέξτε την αντίδραση. Οπως σε όλες τις ογκομετρήσεις θέλει προσοχή η επιλογή του ισοδύναμου σημείου. Στο τέλος κάνουμε τους υπολογισμούς που αναλύσαμε για να βρούμε την συγκέντρωση του ιόντος στην κωνική φιάλη.

ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΙΚΗ  ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΗ -ΑΣΚΗΣΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΣΥΓΚΕΝΤΩΣΕΩΝ

  Προσομοίωση σε πλήρη οθόνη

 

 

 

 

 ΜΕΡΟΣ 2^ο

 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ  ΣΥΝΘΕΤΩΝ  ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΣΤΑ ΓΑΛΒΑΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ

ΑΣΚΗΣΗ 1η

Στο σχήμα δείχνεται ένα γαλβανικό στοιχείο. Το αριστερό ημιστοιχείο αποτελείται από ένα ηλεκτρόδιο Ni και από διάλυμα που περιέχει 100 mL υδατικό διάλυμα1X10^-3 Μ Ni²⁺. Το δεξιό ημιστοιχείο αποτελείται από ένα ηλεκτρόδιο Ni και από 100 mL υδατικό διάλυμα1 Μ Ni²⁺. Το κύκλωμα περιλαμβάνει βολτόμετρο V, λυχνία και διακόπτες Α και Β. Τα δύο ημιστοιχεία συνδέονται με γέφυρα άλατος που περιέχει διάλυμα KCl. Στην αρχή των πειραμάτων οι δύο διακόπτες είναι αρχικά ανοιχτοί (όπως στο σχήμα-θέση off). H θερμοκρασία του πειράματος είναι 25^oC.

 

 

 

To πρότυπo δυναμικό οξειδοαναγωγής είναι:

Ni²⁺(aq)+ 2e^- ?Ni(s) E^o = -0,28 V

 

ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ

Ο σωστός τρόπος γραφής του γαλβανικού στοιχείου, όπως γνωρίζουμε από το στοιχείο Daniell είναι:
Zn |Zn²⁺(aq,1M)||Cu²⁺ (aq,1M)| Cu

ΑΡΙΣΤΕΡΑ =ΑΝΟΔΟΣ = ΟΞΕΙΔΩΣΗ || ΔΕΞΙΑ = ΚΑΘΟΔΟΣ = ΑΝΑΓΩΓΗ

Ανοδος? μικρό κανονικό δυναμικό ? Αρνητικά φορτισμένο (πχ. Ζn χάνει e?οξειδώνεται σε Zn²⁺)

Κάθοδος ?μεγάλο κανονικό δυναμικό ? Θετικά φορτισμένο (πχ. Cu²⁺ παίρνει e?ανάγεται σε Cu)

Για την περίπτωσή μας έχουμε

Αριστερά δοχείο : Ni²⁺(aq)+ 2e^- ?Ni(s) E^o = -0,28 V

με εφαρμογή εξίσωσης Nernst έχουμε:

E₁= E^o + {0,059/2}Iog [Ni²⁺]= -0,28 + {0,059/2}Iog[10^-3]= -0,3685 Volts.

Αναμενόμενη τιμή γιατί όσο μικραίνει η [Ni²⁺] αναγκάζεται να διαλυθεί επιπλέον ποσότητα Ni για αποκατάσταση της ισορροπίας.

Δεξιά δοχείο : Ni²⁺(aq)+ 2e^- ?Ni(s) E^o = -0,28 V

με εφαρμογή εξίσωσης Nernst έχουμε:

E₂= E^o + {0,059/2}Iog [Ni²⁺]= -0,28 + {0,059/2}Iog[1] = -0,28 Volts.

Η άνοδος είναι το μικρότερο αλγεβρικά δυναμικό συνεπώς το δοχείο στα αριστερά.

Ο σωστός τρόπος γραφής του γαλβανικού στοιχείου είναι:

Ni |Ni²⁺(aq,10^-3 M)||Ni²⁺ (aq,1M)| Ni

ΑΡΙΣΤΕΡΑ =ΑΝΟΔΟΣ = ΟΞΕΙΔΩΣΗ || ΔΕΞΙΑ = ΚΑΘΟΔΟΣ = ΑΝΑΓΩΓΗ

E₁ = -0,3685 Volts.|| E₂ = -0,28 Volts.

( Ni(s) ? Ni²⁺(aq)+ 2e ) || Ni²⁺(aq)+ 2e^- ? Ni(s)

Eπομένως τα e θα παράγονται από το αριστερά δοχείο και θα κινούνται προς το δεξιά δοχείο.

Η ΗΕΔ του στοιχείου θα είναι Εστοιχ = Ε καθ ? Εανοδου = -0,28 - (-0,3685) = 0,0885 Volts.

Οπως γνωρίζουμε από την θεωρία, εάν συνδέσουμε το ηλεκτρόδιο της ανόδου (αλγεβρικά μικρότερο)

στον αρνητικό ακροδέκτη του βολτομέτρου (-ή com είσοδο) και το ηλεκτρόδιο της καθόδου (αλγεβρικά μεγαλύτερο) στο θετικό ακροδέκτη του βολτομέτρου (+ ή V/Ω είσοδο) τότε η ένδειξη του βολτομέτρου είναι θετική και συμπίπτει με την ΗΕΔ του γαλβανικού στοιχείου. Εάν η σύνδεση γίνει αντίθετα τότε η ένδειξη του βολτομέτρου είναι αρνητική και αντίθετη της ΗΕΔ του στοιχείου.

Συνεπώς στο αριστερά δοχείο παράγονται e που κινούμενα μέσα στο κύκλωμα περνούν προκαλώντας την ακτινοβολία του λαμπτήρα. Στο αριστερά δοχείο παράγονται ιόντα Ni²⁺(aq), προκαλώντας την μείωση της μάζας του μάζας του ηλεκτροδίου Ni ,ενώ στο δεξιά δοχείο τα ιόντα Ni²⁺(aq) του διαλύματος αντιδρούν με τα e προκαλώντας την αύξηση της μάζας του ηλεκτροδίου αντίστοιχα.

Τα ιόντα της γέφυρας του KCI θα κινούνται με τέτοιο τρόπο ώστε να εξισσοροπούν την αύξηση των θετικών ιόντων Ni²⁺ στο αριστερά δοχείο, άρα θα εισέρχονται αρνητικά ιόντα CI^- στο διάλυμα.

Στο δεξιά διάλυμα θα έχουμε μείωση των θετικών Ni² πράγμα που θα εξισορροπείται με εισρροή ιόντων Κ⁺μέσα από την γέφυρα του άλατος.

Καθώς εξελίσσεται το φαινόμενο η E₁ συνεχώς θα αυξάνει (θα γίνεται λιγότερο αρνητική) καθώς αυξάνει η [Ni²⁺] στο διάλυμα, και από την άλλη μεριά η E₂ συνεχώς θα μειώνεται αφού μειώνεται η [Ni²⁺] στο διάλυμα. Οταν έρθει η χρονική στιγμή όπου Ε₁=Ε₂ το φαινόμενο σταματά αφού δεν υπάρχει η διαφορά δυναμικού, δεν μπορούν να παραχθούν e που κινούνται μέσα από το κύκλωμα και σταματά η λειτουργία του λαμπτήρα.

Με βάση την παραπάνω ανάλυση μπορούμε εύκολα να απαντήσουμε στις ερωτήσεις:

Ερωτήσεις κατανόησης

1) Όταν o διακόπτης Β είναι ανοιχτός ποιός είναι ο σωστός τρόπος γραφής του γαλβανικού στοιχείου;

Ο σωστός τρόπος γραφής του γαλβανικού στοιχείου είναι:

Ni |Ni²⁺(aq,10^-3 M)||Ni²⁺ (aq,1M)| Ni

ΑΡΙΣΤΕΡΑ =ΑΝΟΔΟΣ = ΟΞΕΙΔΩΣΗ || ΔΕΞΙΑ = ΚΑΘΟΔΟΣ = ΑΝΑΓΩΓΗ

E₁ = -0,3685 Volts.|| E₂ = -0,28 Volts.

( Ni(s) ? Ni²⁺(aq)+ 2e ) || Ni²⁺(aq)+ 2e^- ? Ni(s)

Eπομένως τα e θα παράγονται από το αριστερά δοχείο και θα κινούνται προς το δεξιά δοχείο.

2) Πόση είναι ή τάση που δείχνει το Βολτόμετρο ;

Η ΗΕΔ του στοιχείου θα είναι Εστοιχ = Ε καθ ? Εανοδου = -0,28 - (-0,3685) = 0,0885 Volts.

Οπως γνωρίζουμε από την θεωρία, εάν συνδέσουμε το ηλεκτρόδιο της ανόδου (αλγεβρικά μικρότερο)

στον αρνητικό ακροδέκτη του βολτομέτρου (-ή com είσοδο) και το ηλεκτρόδιο της καθόδου (αλγεβρικά μεγαλύτερο) στο θετικό ακροδέκτη του βολτομέτρου (+ ή V/Ω είσοδο) τότε η ένδειξη του βολτομέτρου είναι θετική και συμπίπτει με την ΗΕΔ του γαλβανικού στοιχείου. Στην περίπτωσή μας η σύνδεση έγινε αντίθετα και η ένδειξη του βολτομέτρου είναι αντίθετη της ΗΕΔ του στοιχείου δηλαδή - 0,0885 Volts..

3) Πόση είναι η ΗΕΔ του γαλβανικού στοιχείου;

Η ΗΕΔ του στοιχείου θα είναι Εστοιχ = Ε καθ ? Εανοδου = -0,28 - (-0,3685) = 0,0885 Volts.

 

Κλείνουμε τον διακόπτη Β

4) Ποια δράση λαμβάνει χώρα στο γαλβανικό στοιχείο;

Αριστερά δοχείο : Ni²⁺(aq)+ 2e^- ?Ni(s) E^o = -0,28 V

με εφαρμογή εξίσωσης Nernst έχουμε:

E₁= E^o + {0,059/2}Iog [Ni²⁺]= -0,28 + {0,059/2}Iog[10^-3]= -0,3685 Volts.

Αναμενόμενη τιμή γιατί όσο μικραίνει η [Ni²⁺] αναγκάζεται να διαλυθεί επιπλέον ποσότητα Ni για αποκατάσταση της ισορροπίας.

Δεξιά δοχείο : Ni²⁺(aq)+ 2e^- ?Ni(s) E^o = -0,28 V

με εφαρμογή εξίσωσης Nernst έχουμε

E₂= E^o + {0,059/2}Iog [Ni²⁺]= -0,28 + {0,059/2}Iog[1] = -0,28 Volts.

Η άνοδος είναι το μικρότερο αλγεβρικά δυναμικό συνεπώς το δοχείο στα αριστερά.

Συνεπώς στο αριστερά δοχείο παράγονται e που κινούμενα μέσα στο κύκλωμα περνούν προκαλώντας την ακτινοβολία του λαμπτήρα. Στο αριστερά δοχείο παράγονται ιόντα Ni²⁺(aq), προκαλώντας την μείωση της μάζας του μάζας του ηλεκτροδίου Ni ,ενώ στο δεξιά δοχείο τα ιόντα Ni²⁺(aq) του διαλύματος αντιδρούν με τα e προκαλώντας την αύξηση της μάζας του ηλεκτροδίου αντίστοιχα.

5) Ποιο ηλεκτρόδιο είναι η κάθοδος;

Η άνοδος είναι το μικρότερο αλγεβρικά δυναμικό συνεπώς το δοχείο στα αριστερά.

6) Ποια είναι η φορά της κίνησης των ηλεκτρονίων μέσα από τον λαμπτήρα;

Στο αριστερά δοχείο παράγονται e που κινούμενα μέσα στο κύκλωμα περνούν προκαλώντας την ακτινοβολία του λαμπτήρα. Στο αριστερά δοχείο παράγονται ιόντα Ni²⁺(aq), προκαλώντας την μείωση της μάζας του μάζας του ηλεκτροδίου Ni ,ενώ στο δεξιά δοχείο τα ιόντα Ni²⁺(aq) του διαλύματος αντιδρούν με τα e προκαλώντας την αύξηση της μάζας του ηλεκτροδίου αντίστοιχα.

7) Αν ο λαμπτήρας φωτοβολεί από πού αντλείται η ενέργεια;

Από τα e που παράγονται από την διάλυση του μεταλλικού Ni στο δεξιά διάλυμα

8) Ποια είναι η φορά της κίνησης των Cl^- μέσα στη γέφυρα;

Τα ιόντα της γέφυρας του KCI θα κινούνται με τέτοιο τρόπο ώστε να εξισσοροπούν την αύξηση των θετικών ιόντων Ni²⁺ στο αριστερά δοχείο, άρα θα εισέρχονται αρνητικά ιόντα χλωρίουστο διάλυμα.

Στο δεξιά διάλυμα θα έχουμε μείωση των θετικών Ni² πράγμα που θα εξισορροπείται με εισρροή ιόντων καλίουμέσα από την γέφυρα του άλατος.

9) Μετά από την παρέλευση χρονικού διαστήματος η ένδειξη του Βολτομέτρου μηδενίζεται.;

Καθώς εξελίσσεται το φαινόμενο η E₁ συνεχώς θα αυξάνει (θα γίνεται λιγότερο αρνητική) καθώς αυξάνει η [Ni²⁺] στο διάλυμα, και από την άλλη μεριά η E₂ συνεχώς θα μειώνεται αφού μειώνεται η [Ni²⁺] στο διάλυμα. Οταν έρθει η χρονική στιγμή όπου Ε₁=Ε₂ το φαινόμενο σταματά αφού δεν υπάρχει η διαφορά δυναμικού, δεν μπορούν να παραχθούν e που κινούνται μέσα από το κύκλωμα και σταματά η λειτουργία του λαμπτήρα, και μηδενίζεται η ένδειξη του βολτομέτρου

10) Μετά από δέκα ώρες η τάση που δείχνει το βολτόμετρο γίνεται 0 (σχήμα β) και η συγκέντρωση του Ni²⁺ στο δεξιό δοχείο 0,5Μ. Πόση είναι η συγκέντρωση του Ni²⁺ στο αριστερό δοχείο;

Οταν έρθει η χρονική στιγμή όπου Ε₁=Ε₂ το φαινόμενο σταματά αφού δεν υπάρχει η διαφορά δυναμικού, δεν μπορούν να παραχθούν e που κινούνται μέσα από το κύκλωμα και σταματά η λειτουργία του λαμπτήρα, και μηδενίζεται η ένδειξη του βολτομέτρου. Συνεπώς θα είναι ίσες οι συγκεντρώσεις [Ni²⁺] και στα δύο δοχεία

11) Πόσο φορτίο πέρασε από τον λαμπτήρα ;

Στο δεξιά δοχείο αντέδρασαν :

αρχικά moles ? τελικά moles = 0,1lit *1mole/lit ? 0,1lit*0,5 = 0,05 moles

Απο την αντίδραση φαίνεται ότι 1 mole Ni²⁺ αντιδρά με 2moles e .

Ni²⁺(aq)+ 2e^- ?Ni(s)

Αρα το φορτίο που πέρασε από το κύκλωμα (και από τον λαμπτήρα) είναι Q=2*0,05*F Coulombs.

Οπου F είναι σταθερά του Faraday F= 96500 Cb.

12) Δίνεται Το πρότυπο δυναμικό της ημιαντίδρασης

2Η⁺(aq)+ 2e^- ?Η₂(s) E^o = 0 V

Πόσο είναι το δυναμικό που πρέπει να εφαρμόσουμε σε ηλεκτρόδιο λευκοχρύσου βυθισμένο σε διάλυμα ΝαΟΗ pH=10 για να γίνει αναγωγή;

Θα υπολογίσουμε το δυναμικό για [Η⁺] =10^-10-Μ

2Η⁺(aq)+ 2e^- ?Η₂(s) E^o = 0 V

Απο την εξίσωση Nernst:

Ε = E^o + {0,059/2}Iog [Η⁺]²= 0,059 (-10) = -0,59 Volts.

Για να γίνει η αναγωγή: 2Η⁺(aq)+ 2e^- ?Η₂(s)πρέπει να εφαρμοστεί τάση μεγαλύτερη από 0,59Volts.

Mια εναλλακτική λύση είναι να συνδιαστεί το παραπάνω ημιστοιχείο με αυτό του:

Zn |Zn²⁺(aq,1M) , Ε^ο = -0,76Volts. Το ημιστοιχείο του Zn σαν αρνητικότερο θα δίνει e τα οποία θα μεταφέρονται στο ηλεκτρόδιο του λευκοχρύσου προκαλώντας την αναγωγή του υδρογόνου.

13) Εξηγήστε με απλούς συλλογισμούς αν διαλύεται ο Cu σε διάλυμα HCl.

                                                               Cu²⁺(aq)+ 2e^- ? Cu(s)     E₁^o  = +0,34 Volts

2Η⁺(aq)+ 2e^- ?Η₂(s) E₂^o = 0 Volts

O Cu δεν μπορεί να δώσει e που θα μπορούν να αντιδράσουν με τα Η⁺ του HCl

Σε αντίθεση με τον Zn που έχει αρνητικό πρότυπο δυναμικό.

 

 

ΑΣΚΗΣΗ 2η

Στο σχήμα δείχνεται ένα γαλβανικό στοιχείο. Το αριστερό ημιστοιχείο αποτελείται από ένα ηλεκτρόδιο Cd και από διάλυμα που περιέχει 1.0 Μ Cd²⁺. Το δεξιό ημιστοιχείο αποτελείται από ένα ηλεκτρόδιο Ag και το διάλυμα που περιέχει 1.0 M Αg⁺. Το κύκλωμα περιλαμβάνει βολτόμετρο V, λυχνία B, διακόπτες C και Ε και πηγή τάσης (dc). Τα δύο ημιστοιχεία συνδέονται με γέφυρα άλατος που περιέχει διάλυμα ΝaΝΟ₃. Στην αρχή των πειραμάτων οι δύο διακόπτες είναι αρχικά ανοιχτοί (όπως στο σχήμα-θέση off). Υποθέστε ότι η τάση είναι επαρκής για να φωτοβολεί ο λαμπτήρας και ότι η θερμοκρασία του πειράματος είναι 25^oC.

 

 

 

Τα αντίστοιχα πρότυπα δυναμικά οξειδοαναγωγής είναι

Cd²⁺(aq)+ 2e^- ?Cd(s) E^o = -0,40 V

Ag⁺(aq) + e^- ? Ag(s)E^o = 0,80 V

 

 

ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ

Ο σωστός τρόπος γραφής του γαλβανικού στοιχείου, όπως γνωρίζουμε από το στοιχείο Daniell είναι:
Zn |Zn²⁺(aq,1M)||Cu²⁺ (aq,1M)| Cu

ΑΡΙΣΤΕΡΑ =ΑΝΟΔΟΣ = ΟΞΕΙΔΩΣΗ || ΔΕΞΙΑ = ΚΑΘΟΔΟΣ = ΑΝΑΓΩΓΗ

Ανοδος? μικρό κανονικό δυναμικό ? Αρνητικά φορτισμένο (πχ. Ζn χάνει e?οξειδώνεται σε Zn²⁺)

Κάθοδος ?μεγάλο κανονικό δυναμικό ? Θετικά φορτισμένο (πχ. Cu²⁺ παίρνει e?ανάγεται σε Cu)

Για την περίπτωσή μας έχουμε

Αριστερά δοχείο : Cd²⁺(aq)+ 2e^- ?Cd(s) E₁^o = -0,40 V (Ανοδος)

Δεξιά δοχείο : Ag⁺(aq) + e^- ? Ag(s)E₂^o = 0,80 V (Κάθοδος)

Ο σωστός τρόπος γραφής του γαλβανικού στοιχείου είναι:
Cd(s) |Cd²⁺(aq,1M)||Ag⁺(aq ,1M)| Ag(s)

E₁ = -0,4 Volts.|| E₂ = +0,8 Volts.

ΑΡΙΣΤΕΡΑ =ΑΝΟΔΟΣ = ΟΞΕΙΔΩΣΗ || ΔΕΞΙΑ = ΚΑΘΟΔΟΣ = ΑΝΑΓΩΓΗ

Cd(s) ? Cd²⁺(aq)+ 2e^- || Ag⁺(aq) + e^- ? Ag(s)

Eπομένως τα e θα παράγονται από το αριστερά δοχείο και θα κινούνται προς το δεξιά δοχείο.

Η ΗΕΔ του στοιχείου θα είναι Εστοιχ = Ε καθόδου ? Εανόδου = +0,8 - (-0,4) = +1,2 Volts.

Η συνολική αντίδραση θα προκύψει με πρόσθεση των επιμέρους:

Cd(s) ? Cd²⁺(aq)+ 2e^-

2Ag⁺(aq) + 2e^- ? 2Ag(s)

συνολική αντίδραση Cd(s) + 2Ag⁺(aq) ? Cd²⁺(aq)+ 2Ag(s)

Συνεπώς στο αριστερά δοχείο θα αυξάνεται η [Cd²⁺(aq)] , ενώ στο δεξιά θα μειώνεται η [Ag⁺(aq)].

Απο την στοιχειομετρία της αντίδρασης βλέπουμε ότι

1 mol Cd(s) αντιδρά με 2moles Ag⁺(aq) και παράγονται 1mole Cd²⁺(aq)και2moles Ag(s).

 

Ερωτήσεις

1) Όταν οι διακόπτες C και Ε είναι ανοιχτοί ποιος είναι ο σωστός τρόπος γραφής του γαλβανικού στοιχείου;

Ο σωστός τρόπος γραφής του γαλβανικού στοιχείου είναι:
Cd(s) |Cd²⁺(aq,1M)||Ag⁺(aq ,1M)| Ag(s)

E₁ = -0,4 Volts.|| E₂ = +0,8 Volts.

ΑΡΙΣΤΕΡΑ =ΑΝΟΔΟΣ = ΟΞΕΙΔΩΣΗ || ΔΕΞΙΑ = ΚΑΘΟΔΟΣ = ΑΝΑΓΩΓΗ

Cd(s) ? Cd²⁺(aq)+ 2e^- || Ag⁺(aq) + e^- ? Ag(s)

Eπομένως τα e θα παράγονται από το αριστερά δοχείο και θα κινούνται προς το δεξιά δοχείο.

2) Όταν οι διακόπτες C και Ε είναι ανοιχτοί ποια είναι η τάση που δείχνει το βολτόμετρο V.

Eάν συνδέσουμε το ηλεκτρόδιο της ανόδου (αλγεβρικά μικρότερο) στον αρνητικό ακροδέκτη του βολτομέτρου (-ή com είσοδο) και το ηλεκτρόδιο της καθόδου (αλγεβρικά μεγαλύτερο) στο θετικό ακροδέκτη του βολτομέτρου (+ ή V/Ω είσοδο) τότε η ένδειξη του βολτομέτρου είναι θετική και συμπίπτει με την ΗΕΔ του γαλβανικού στοιχείου. Στην περίπτωσή μας η σύνδεση έγινε αντίθετα και η ένδειξη του βολτομέτρου είναι αντίθετη της ΗΕΔ του στοιχείου δηλαδή - 1,2 Volts.

3) Ποια δράση λαμβάνει χώρα στο γαλβανικό στοιχείο όταν κλείσουμε το διακόπτη C.

Η συνολική αντίδραση θα προκύψει με πρόσθεση των επιμέρους:

Cd(s) ? Cd²⁺(aq)+ 2e^-

2Ag⁺(aq) + 2e^- ? 2Ag(s)

συνολική αντίδραση Cd(s) + 2Ag⁺(aq) ? Cd²⁺(aq)+ 2Ag(s)

Συνεπώς στο αριστερά δοχείο θα αυξάνεται η [Cd²⁺(aq)] , ενώ στο δεξιά θα μειώνεται η [Ag⁺(aq)].

4) Πόση είναι η ΗΕΔ του γαλβανικού στοιχείου;

Η ΗΕΔ του στοιχείου θα είναι Εστοιχ = Ε καθόδου ? Εανόδου = +0,8 - (-0,4) = +1,2 Volts.

5) Όταν ο διακόπτης Ε είναι ανοιχτός και ο C κλειστός ποιο ηλεκτρόδιο είναι η κάθοδος;

To ηλεκτρόδιο αργύρου είναι η κάθοδος, αφού έχει το υψηλότερο δυναμικό

6) Όταν ο διακόπτης Ε είναι ανοιχτός και ο C κλειστός ποια είναι η φορά κίνησης των ηλεκτρονίων μέσα από τον λαμπτήρα ;

Τα e θα παράγονται από το αριστερά δοχείο και θα κινούνται προς το δεξιά δοχείο.

7) Γενικά σε ένα γαλβανικό στοιχείο ποια είναι η φορά του ρεύματος ΜΕΣΑ σε αυτό;

Στο εσωτερικό τυ γαλβανικού στοιχείου είναι από την κάθοδο προς την άνοδο, πράγμα που επιτυγχάνεται με την βοήθεια του ηλεκτρολυτικού συνδέσμου.

8) Αν ο λαμπτήρας φωτοβολεί από πού αντλείται η ενέργεια;

Από τα e που παράγονται Cd(s) ? Cd²⁺(aq)+ 2e^- , και διαμέσου του κυκλώματος καταλήγουν στο ηλεκτρόδιο αργύρου

9) Πόση ενέργεια παράγει το γαλβανικό στοιχείο αν αναχθούν 0,05 mol Ag.

Θα πρέπει να βρούμε τις νέες συγκεντρώσεις των ιόντων σε κάθε διάλυμα, αφού προηγουμένως λάβουμε υπόψη την στοιχειομετρία της συνολικής αντίδρασης.

Cd(s) + 2Ag⁺(aq) ? Cd²⁺(aq)+ 2Ag(s). Ταmoles Ag⁺(aq) μειώθηκαν κατά 0,05 moles και έγιναν 0,95 moles . Τα moles Cd²⁺(aq)αυξήθηκαν κατά 0,05/2 = 0,025 moles , και έγιναν 1,025moles.

Cd(s) ? Cd²⁺(aq)+ 2e^- E₁^o = -0,4 Volts. || Ag⁺(aq) + e^- ? Ag(s)E₂^o = +0,8 Volts.

ΑΡΙΣΤΕΡΑ =ΑΝΟΔΟΣ = ΟΞΕΙΔΩΣΗ || ΔΕΞΙΑ = ΚΑΘΟΔΟΣ = ΑΝΑΓΩΓΗ

Cd(s) ? Cd²⁺(aq)+ 2e^- || Ag⁺(aq) + e^- ? Ag(s)

Απο την εξίσωση Nernst:

Ε₁ = E₁^o + {0,059/2}Iog [Cd²⁺]² = -0,4 + 0,059 Iog [1,025] = -0,399 Volts

Ε₂ = E₂^o + {0,059/1}Iog [Ag⁺]= + 0,8 + 0,059 Iog [0,95]= + 0,798 Volts.

H νέα ΗΕΔ του γαλβανικού στοιχείου θα είναι :

Ε στοιχ = Ε_{2 ?} Ε₁ = + 0,798 - (-0,399) = + 1,197 Volts.

W = -nFΕ στοιχ = -2* 96500*1,197 Joule , F = σταθερά Faraday

Ο τύπος W = -nFΕ στοιχ δίνει την μέγιστη ενέργεια ? έργο που μπορεί να παραχθεί από ένα γαλβανικό στοιχείο που εμφανίζει ΗΕΔ Ε στοιχ .

10) Ποιος είναι ό ρόλος της γέφυρας άλατος;

Η γέφυρα άλατος έχει διπλό ρόλο
1) Προμηθεύει κατιόντα και ανιόντα, τα οποία αντικαθιστούν αυτά που καταναλώνονται στα ηλεκτρόδια, εξασφαλίζοντας την ηλεκτρο-ουδετερότητα των ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων των ημιστοιχείων.
2) Κλείνει το κύκλωμα επιτρέποντας την κίνηση του φορτίου από το ένα δοχείο στο άλλο.

11) Ποιά είναι η φορά της κίνησης των NO₃^- μέσα σ΄αυτήν;

Αριστερά παράγονται θετικά ιόντα Cd(s) ? Cd²⁺(aq)+ 2e^- Τα NO₃^- κινούνται προς το αριστερά διάλυμα για να εξισορροπήσουν την αύξηση των θετικών φορτίων και να κάνουν το διάλυμα ηλεκτρικά ουδέτερο.

12) Αν διπλασιάσουμε τα εμβαδόν του ηλεκτροδίου του Ag και μειώσουμε στο μισό το εμβαδόν του Cd ποια θα είναι η επίδραση στην ένδειξη του βολτομέτρου;

Δεν έχει καμμία επίπτωση η γεωμετρία των ηλεκτροδίων στις τιμές των δυναμικών των δύο διαλυμάτων.

13) Ανοίγουμε το διακόπτη C και κλείνουμε τον Ε. Σημειώστε (στο σχήμα) την πολικότητα και εκτιμήστε την ελάχιστη τιμή της τάση της πηγής (dc) που απαιτείται για να αντιστρέψουμε τη φορά του ρεύματος μέσα από το γαλβανικό στοιχείο.

Σύμφωνα με τις γενικές γνώσεις του ηλεκτρισμού, γνωρίζουμε πως αν θέλουμε να αλλάξουμε τη φορά του ηλεκτρικού ρεύματος στο κύκλωμα (αριστερόστροφο), θα πρέπει να ισχύουν δύο προϋποθέσεις:
1. Να συνδέσουμε μια εξωτερική πηγή Εεξ ανάστροφα (δηλαδή έτσι ώστε το ρεύμα που θα δημιουργούσε αν ήταν μόνη της στο κύκλωμα να είναι αντίθετο με αυτό που δημιουργεί η πηγή Ε)
2. Η διαφορά δυναμικού της εξωτερικής πηγής να είναι μεγαλύτερη από αυτή που έχει η πηγή του κυκλώματος, δηλαδή να ισχύει: Εεξ.>Ε = +1,2 Volts.

14) Όταν επιτύχουμε το ζητούμενο στο προηγούμενο ερώτημα ποιό ηλεκτρόδιο είναι η άνοδος και ποια δράση λαμβάνει χώρα σ? αυτό;

Παρατηρούμε ότι άλλαξε η φορά του ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα, αλλά ταυτόχρονα άλλαξε και ο ρόλος των ηλεκτροδίων στο αρχικό γαλβανικό στοιχείο. Στο καινούργιο κύκλωμα, το ηλεκτρόδιο του Ag αποτελεί την άνοδο και το ηλεκτρόδιο του Cd αποτελεί την κάθοδο.

Η συνολική αντίδραση τώρα είναι : Cd²⁺(aq)+ 2Ag(s)? Cd(s) + 2Ag⁺(aq) ακριβώς αντίθετη της αρχικής του γαλβανικού στοιχείου.

15) Προσθέτουμε στο αριστερό ημιστοιχείο διάλυμα Νa₂S και καταβυθίζεται CdS. Ποια είναι η επίδραση της προσθήκης στην ένδειξη του βολτομέτρου;

Από την ισορροπία Cd(s) ? Cd²⁺(aq)+ 2e^- εάν μειωθεί η [Cd²⁺(aq)] η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά παράγοντας e άρα μειώνεται το δυναμικό του ημιστοιχείου, δηλαδή γίνεται αρνητικότερο.

Η συνολική ΗΕΔ του στοιχείου αυξάνει και γίνεται μεγαλύτερη από 1,2Volts , και το βολτόμετρο δείχνει μικρότερη από 1,2Volts.

16)Μετα την προσθήκηΝa₂S και καταβύθιση CdS η συγκέντρωση του Cd²⁺(aq) γίνει τελικά 0,01 Μ πόση θα είναι η νέα ένδειξη του βολτομέτρου;

Cd(s) ? Cd²⁺(aq)+ 2e^- E^ο₁ = -0,4 Volts.

Ag⁺(aq) + e^- ? Ag(s)E^ο₂ = +0,8 Volts.

E₁= E₁^o + {0,059/2}Iog [Cd²⁺]= -0,4 + {0,059/2}Iog[10^-2]= -0,4 ? 0,059 = -0,459 Volts

Το δυναμικό του αργύρου παραμένει σταθερό, άρα η ΗΕΔ είναι

Εστοιχ = Εκαθ- Εανοδου = 0,8 - (-0,459) = + 1,259 Volts.

17) Ποιο από τα Cd²⁺, Ag⁺, Cd, Ag θα χρησιμοποιούσατε ως οξειδωτικό;

Tον Ag⁺ γιατί μπορεί να αναχθεί σε Ag^.