Galvaniska element – del 2: EMK och normalpotentialer PDF

Galvaniska element – del 2: EMK och normalpotentialer Niklas Dahrén Innehållet i de olika delarna: Galvaniska element - del 1: Introduktion till galvaniska element Galvaniska element - del 2: EMK och normalpoten...

Galvaniska element – del 2: EMK och normalpotentialer Niklas Dahrén Innehållet i de olika delarna: Galvaniska element - del 1: Introduktion till galvaniska element Galvaniska element - del 2: EMK och normalpotentialer Galvaniska element - del 3: Varför behövs elektrolytlösningar och ett membran eller saltbrygga?  Galvaniskt element med zink och koppar ü Zink-koppar-elementet består av två metallelektroder gjorda ü Drivkraften för det galvaniska elementet är skillnaden i av zink resp. koppar som är doppade i en varsin elektrolyt- laddning mellan anoden och katoden. Skillnaden i laddning lösning. Elektrolytlösningarna består av zinksulfat resp. kallas för elektrisk spänning. Anoden har ett relativt kopparsulfat. Mellan lösningarna finns, i det här exemplet, elektronöverskott och blir därför minuspol. Katoden har ett ett poröst membran (som tillåter jonvandring). relativt elektronunderskott och blir därför pluspol. - - Elektroner- rör sig - från minuspolen till pluspolen - - - - Anod(-pol) Katod (+pol) Elektrolytlösning Elektrolytlösning - - Zn+ Negativa joner rör sig mot anoden Zn2+ Cu Cu Zn 2+ Cu2+ Kopparelektrod SO42- Zinkelektrod - Poröst membran - Zn2+ SO42- I elektrolytlösningen runt katoden finns ett Zn2+ starkt oxidationsmedel (Cu2+) som attraherar Cu Cu och plockar upp elektroner från katoden. Relativt SO42- Tack vare detta kan detSO 2- relativa 4 elektron- Relativt elektronöverskott underskottet upprätthållas på katoden. elektronunderskott (minuspol) Zn2+ Zn2+ Zn2+ Cu2+ Cu(pluspol) Cu - - - Oxidation: Reduktion: - - - Zn à 2e- + Zn2+ Positiva joner rör sig mot katoden Cu2+ + 2e- à Cu Vid anoden finns en metall (Zn) som lätt oxideras så Vid katoden finns en metall (Cu) som har relativt svårt att det uppstår ett relativt elektronöverskott på att oxideras vilket ger ett relativt elektronunderskott anoden (i jämförelse med katoden). på katoden (i jämförelse med anoden). En elektrisk spänning mellan anod och katod krävs för att elektronerna ska vandra ü Om vi ska få till en elektronvandring från anoden till katoden måste det uppstå ett tydligt överskott av elektroner på anoden (fler elektroner jämfört med protoner), jämfört med katoden. Vi måste alltså ha en laddningsskillnad mellan anoden och katoden, annars kommer inga elektroner börja vandra. ü Elektrisk spänning: Laddningsskillnaden (eller potentialskillnaden) mellan anoden och katoden kallar vi för en elektrisk spänning. ü EMK: EMK står för ”elektromotorisk kraft” och är ett mått på den elektriska spänningen (potentialskillnaden/ laddningsskillnaden) mellan elektroderna. Namnet EMK är dock lite missvisande eftersom det inte handlar om någon ”kraft”. ”Elektromotorisk spänning”, ”polspänning”, eller bara ”spänning” är ett mer korrekt namn. Vi kommer dock använda förkortningen EMK eftersom den förkortningen är vedertagen i dessa sammanhang. ü En förutsättning för att en elektrisk spänning ska kunna uppstå är att vi väljer olika metaller till anoden resp. katoden och att dessa skiljer sig åt när det gäller deras förmåga att oxidera och bilda joner. Men elektrolytlösningarna och ett poröst membran/saltbrygga är också en förutsättning för att skapa en elektrisk spänning mellan anoden och katoden (mer om det i del 3).  Ingen elektronvandring sker i ledningen om metallelektroderna är gjorda av samma metall ü Om de båda metallelektroderna är gjorda av samma metall kommer ingen elektronvandring kunna ske i ledningen eftersom de har samma förmåga att oxideras och bilda joner (samma elektronöverskott/elektrontryck bildas). Elektroner - - - - - - Elektroner- - Elektrolytlösning Elektrolytlösning Zn Zn Zn Zn Zn2+ SO42- Cu2+ SO42- Zn Zn Zn Zn Elektronöverskott Elektronöverskott (minuspol) (minuspol) SO42- Zn Zn Zn2+ Cu2+ SO42- Zn Zn ü Elektronöverskottet/elektrontrycket kommer bli lika stort på båda elektroderna, det uppstår alltså ingen laddningsskillnad/elektrisk spänning mellan de båda elektroderna. Ingen av metallerna kommer vinna ”kampen” om att få avge sina elektroner till ledningen. En hög spänning (EMK) får vi med metaller som ligger långt ifrån varandra i spänningsserien Elektrokemiska spänningsserien: Li K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb ….. H ….. Cu Hg Ag Pt Au Hög förmåga att avge elektroner och Låg förmåga att avge elektroner och bilda metalljoner (bra reduktionsmedel) bilda metalljoner (bra oxidationsmedel) ü I ett galvaniskt element bör vi använda 2 metallelektroder med metaller som skiljer sig åt betydligt när det gäller förmågan att avge elektroner (oxideras) och omvandlas till joner. ü Desto större skillnad mellan metallerna (längre ifrån varandra i spänningsserien), desto lättare vandrar elektronerna från den ena metallelektroden till den andra. Den ena metallelektroden oxideras då mycket lättare och det bildas en större negativ laddning på den elektroden (större elektronöverskott/elektrontryck). Det blir då stor skillnad i laddning mellan de båda elektroderna och därmed en hög elektrisk spänning (hög EMK) i det galvaniska elementet. Den andra metallelektroden kan inte stå emot det höga ”elektrontrycket” utan får istället ta emot de elektroner som kommer (och sedan skicka dessa vidare till metalljonerna i elektrolytlösningen).  Större skillnad mellan metallerna ger högre spänning (EMK) och därmed högre strömstyrka Li K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb ….. H ….. Cu Hg Ag Pt Au - - Låg strömstyrk - - - - - - - (få elektroner a Zn Ingen ström - - - - Zn Mg - /tidsenhet) - - - Zn oxideras lika lätt som Zn: Mg oxideras lite lättare än Al: Al Elektronöverskottet (elektrontrycket) blir lika stort på båda elektroderna. Elektronöverskottet (elektrontrycket) blir lite större på Mg- Ingen laddningsskillnad (spänning) mellan elektroderna. Inga elektroner elektroden. Vi får en laddningsskillnad (spänning) mellan kommer därför vandra mellan elektroderna och därför uppstår ingen ström i elektroderna. Elektroner kommer vandra från Mg- till Al- det galvaniska elementet. Liknelse: Vatten som är stillastående i en sjö elektroden men hastigheten kommer vara låg vilket ger en p.g.a. ingen höjdskillnad. H låg strömstyrka. Liknelse: Vatten som strömmar långsamt i ög s - (må tröm en flod p.g.a. liten höjdskillnad. Zn lekt styrka - n ga e - ro ne r /ti d Zn oxideras mycket lättare än Cu: senh et) Ström (ampere): Ström är antalet elektroner/tidsenhet Elektronöverskottet (elektrontrycket) blir mycket större på Zn-elektroden. Vi får en tydlig laddningsskillnad (spänning) mellan - som passerar i ledningen. Spänning (volt): Skillnaden i elektroderna. Elektroner kommer vandra från Zn- till Cu-elektroden och Cu laddning mellan de båda metallelektroderna kallas för spänning (eller elektromotorisk kraft; EMK). Högre hastigheten kommer vara hög vilket ger en hög strömstyrka. Liknelse: Vatten som faller/strömmar fort i ett vattenfall p.g.a. stor höjdskillnad. spänning innebär högre strömstyrka.  Normalpotentialer Låga normalpotentialer Höga normalpotentialer (har lätt för att oxidera och bilda joner vilket (har svårt för att oxidera och bilda joner vilket ger ett ger ett stort elektronöverskott på elektroden) litet eller inget elektronöverskott på elektroden) Li K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb ….. H ….. Cu Hg Ag Pt Au ü Normal elektrodpotential/normalpotential (e0): § Varje ämne i den elektrokemiska spänningsserien har en s.k. normal elektrodpotential, dock ofta förkortat ”normalpotential”. § Förenklat kan man säga att normalpotentialen är ett mått på hur lätt ett ämne oxideras och bildar ett elektronöverskott på elektroden, i jämförelse med väte på en vätgaselektrod och under ”normala” standardiserade förhållanden (vid 298 K, konc. 1 mol/dm3, och gastrycket 101,3 kPa). § Desto mer negativt värdet är på normalpotentialen desto lättare oxideras ämnet och desto större blir elektronöverskottet på elektroden. § Ämnen som har låga normalpotentialer är bra reduktionsmedel. ü Sambandet mellan normalpotentialer och EMK: Desto större skillnad mellan metallernas normalpotentialer desto större värde på EMK. Större skillnad i normalpotentialerna ger en större laddningsskillnad mellan elektroderna, vilket är samma sak som ett högre EMK.  Normalpotentialer Låga normalpotentialer Höga normalpotentialer (har lätt för att oxidera och bilda joner vilket (har svårt för att oxidera och bilda joner vilket ger ett ger ett stort elektronöverskott på elektroden) litet eller inget elektronöverskott på elektroden) Li K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb ….. H ….. Cu Hg Ag Pt Au Ämne: Normalpotential (V): Ämne: Normalpotential (V): Li -3,04 Ni -0,25 K -2,92 Sn -0,14 Dessa värden är i jämförelse Ca -2,87 Pb -0,13 med väte på en vätgaselektrod Na -2,71 H 0 och under ”normala” standardiserade förhållanden Mg -2,37 Cu +0,34 (vid 298 K, konc. 1 mol/dm3, Al -1,66 Hg +0,799 och gastrycket 101,3 kPa). Zn -0,76 Ag +0,80 Cr -0,74 Pt +1,20 Fe -0,44 Au +1,40  Normalpotentialer för zink resp. koppar ü Zink (Zn) oxideras lätt, så att det uppstår ett tydligt ü Koppar (Cu) oxideras inte lika lätt som zink, enbart ett elektronöverskott på elektroden. Skillnaden i laddning mellan litet elektronöverskott bildas på elektroden. Skillnaden i elektroden och lösningen blir stor. Zink är bättre än väte på att laddning mellan elektroden och lösningen blir liten. oxidera och skapa ett elektronöverskott och har därför en Koppar är sämre än väte på att oxidera och skapa ett negativ normalpotential (man jämför alltid med väte på en elektronöverskott och har p.g.a. detta en positiv vätgaselektrod, och där har man bestämt att väte har värdet 0). normalpotential. Anod (-pol) Katod (+pol) Elektrolytlösning Elektrolytlösning - Zn+ Cu - - - Zn2+ Cu 2+ Kopparelektrod Zinkelektrod Zn2+ - - Zn2+ Cu Cu - Zn2+ - Zn2+ Cu Cu Zink har normalpotentialen (V): -0,76 Koppar har normalpotentialen (V): +0,34  Med hjälp av en voltmeter kan vi mäta elementets spänning (EMK) 1,1 V ü Desto större avstånd mellan metallerna i spänningsserien desto större Anod spänning (EMK-värde) kommer voltmetern mäta upp. Det beror på att den Katod (-pol) ena metallen då mycket lättare oxideras och bildar joner. Det uppstår alltså ett (+pol) större överskott av elektroner på den ena metallen (större elektrontryck). - Zn+ Cu - - - Zn2+ Cu 2+ Kopparelektrod Zinkelektrod Zn2+ - - Zn2+ Cu Cu - Zn2+ - Zn2+ Cu Cu Zink har normalpotentialen (V): -0,76 Koppar har normalpotentialen (V): +0,34 Med hjälp av normalpotentialerna kan vi beräkna det galvaniska elementets spänning (EMK) ü Vi kan beräkna det galvaniska elementets spänning (EMK) genom följande metod: 1. Identifiera vilka ämnen som utgör de båda elektroderna i det galvaniska elementet. 2. Ta reda på de båda ämnenas normalpotentialer med hjälp av en tabell. 3. Sätt in normalpotentialerna i nedanstående formel: EMK= e0positiv pol - e0negativ pol  Uppgift 1: Beräkna EMK för zink-kopparelementet Lösning: Ämne: Normal- Ämne: Normal- 1. Identifiera vilka ämnen som utgör de båda elektroderna i det potential (V): potential (V): galvaniska elementet: Li -3,04 Ni -0,25 Zink och koppar K -2,92 Sn -0,14 2. Ta reda på de båda ämnenas normalpotentialer med hjälp av Ca -2,87 Pb -0,13 en tabell: Na -2,71 H 0 Zink: -0,76 Mg -2,37 Cu +0,34 Koppar: +0,34 Al -1,66 Hg +0,799 3. Sätt in normalpotentialerna i ”EMK-formeln” och utför Zn -0,76 Ag +0,80 beräkningen: Cr -0,74 Pt +1,20 EMK= e0positiv pol - e0negativ pol = +0,34 V -(-0,76 V)= 1,1 V Fe -0,44 Au +1,40 Svar: EMK för zink-kopparelementet är 1,1 V  Uppgift 2: Vad blir EMK hos ett galvaniskt element med följande halvceller: a) Fe2+/Fe(s) och Ni2+/Ni(s) b) Ag+/Ag(s) och Mg2+/Mg(s) c) Al3+/Al(s) och Ag+/Ag(s) Ämne: Normal- Ämne: Normal- potential (V): potential (V): Lösning: Li -3,04 Ni -0,25 K -2,92 Sn -0,14 a) EMK= e0positiv pol - e0negativ pol = -0,25 V -(-0,44 V)= 0,19 V Ca -2,87 Pb -0,13 Na -2,71 H 0 b) EMK= e0 positiv pol - e0 negativ pol = +0,80 V -(-2,37 V)= 3,17 V Mg -2,37 Cu +0,34 Al -1,66 Hg +0,799 c) EMK= e0 positiv pol - e0 negativ pol = +0,80 V -(-1,66 V)= 2,46 V Zn -0,76 Ag +0,80 Cr -0,74 Pt +1,20 Fe -0,44 Au +1,40  Sammanfattning ü EMK: EMK står för elektromotorisk kraft och är ett mått på den elektriska spänningen (potentialskillnaden/ laddningsskillnaden) mellan elektroderna i ett galvaniskt element. ü Normal elektrodpotential/normalpotential (e0): Förenklat kan man säga att normalpotentialen är ett mått på hur lätt ett ämne oxideras och bildar ett elektronöverskott på elektroden, i jämförelse med väte på en vätgaselektrod. Desto mer negativt värdet är på normalpotentialen desto lättare oxideras ämnet och desto större blir elektronöverskottet på elektroden. Ämnen som har låga normalpotentialer är bra reduktionsmedel. ü Sambandet mellan normalpotentialer, EMK och strömstyrka: Större skillnad mellan metallernas normalpotentialer i det galvaniska elementet ger en högre spänning (EMK) och därmed en högre strömstyrka. ü Vi kan beräkna det galvaniska elementets spänning (EMK) genom följande metod: 1. Identifiera vilka ämnen som utgör de båda elektroderna i det galvaniska elementet. 2. Ta reda på de båda ämnenas normalpotentialer med hjälp av en tabell. 3. Sätt in normalpotentialerna i nedanstående formel: EMK= e0positiv pol - e0negativ pol Se gärna fler filmer av Niklas Dahrén: http://www.youtube.com/Kemilektioner http://www.youtube.com/Medicinlektioner