Інформація про новину
  • Переглядів: 249
  • Дата: 29-05-2020, 00:58
29-05-2020, 00:58

13. A galvánelem — az elektromos áram kémiai forrása

Категорія: Tankönyvek magyar » Kémia





Попередня сторінка:  12. Ásók hidrolízise
Наступна сторінка:   14. A nemfémes elemek

E téma tananyaga segít nektek:

ismeretet szerezni az áram kémiai forrásáról; megérteni, miért alakul ki elektromos áram a galvánelemben.

Kémiai tanulmányaitok során már találkoztatok az oxidációs-redukciós folyamatokkal. Ez egy elektronátmenettel járó folyamat: az egyik részecske (atom, molekula vagy ion) elektronokat veszít, míg más részecskék magukhoz vonzzák azokat. Az oxidációs-redukciós folyamatok közé tartoznak a fémek és a sók közötti reakciók.

Ha cinklemezt réz(II)-szulfát oldatba helyezünk, rövid idő múlva a cinklemez felületén vörösbarna fémes bevonat jelenik meg. A reakció egyenlete:

Hosszabb idő után az oldat elszíntelenedik, a réz-ionok vizes oldatára jellemző szín eltűnik. Az ilyen folyamatokra mondják, hogy az aktívabb fém kiszorítja a kevésbé aktívat sóiból.

A folyamat ion-molekula egyenletéből látható:

Hogy a folyamat két részreakcióra bontható: az egyikben

a cinkatom redukálószer, mivel leadja elektronjait és kationná válik; a másikban

a réz-kation az oxidálószer, mert felveszi az elektronokat és atommá alakul.

Melyik folyamat az oxidáció és melyik a redukció?

John Frederic Daniell (1790-1845) angol kémikus és fizikus megpróbálta szétválasztani a két folyamatot - az oxidációt és a redukciót.

Egy edénybe dnk-szu]fát-oldatot öntött, amelybe dnklemezt helyezett, egy másik edényt réz(II)-szu]fát oldattal töltötte meg, és rézlemezt merített bele. Ezután a tudós a lemezeket egy fémes vezetővel kötötte össze, ehhez galvanométert (feszültségmérő műszert) kapcsolt, és mindkét oldatba egy hajlított csövet (sáladat) helyezett, amely kocsonyásító semleges anyagot tartalmazó alkáli fém sójának oldatával volt megtöltve (18. ábra). A galvanométer elektromos áram megjelenését észlelte: a cink által leadott elektronok a vezetődróton keresztül a réz felé irányultak. A cink kationok alakjában (Zn2t) oldódni igyekszik a cink-szulfát oldat ban, hátrahagyva a Zn-Iemezen elektronjait. Az elektronok a fémes vezetőn (és a feszültségmérő műszeren keresztül) átáramlanak a rézlemezre, ahol az oldatban lévő Cu2t-Ionok felveszik az elektronokat és fémréz formájában kiválnak az oldatból. A rézlemez tömege megnövekszik.

a cinklemezen (anódon) negatív elektromos töltés, a rézlemezen (kátéd) pozitív töltés volt található.

Az oxidációs-redukciós reakciók eredményeként elektromos áramot termelő készülékeket kémiai áramforrásoknak, galvánelemeknek nevezzük.

A sóhíd nemcsak az elektromos kapcsolatot biztosítja a két oldat között, itt ugyanis az ionok teszik lehetővé az áramvezetést. A galvánelem működése során a CuSO4 sóoldatában a Cu2+ -kationok mennyisége csökken, míg a ZnSO4 sóoldatban növekszik a Zn2+-kationok száma. A sóhíd biztosítja az oldatok elektromos semlegességét, a töltéskiegyenlítődést: a Na+-kationok a CuSO-oldatba (ahol a szulfát-anionok többlete alakul ki), az S0|~ anionok a ZnSO4 oldatába vándorolnak (itt kationból van több) (18. ábra).

Ha több galvánelemet vizsgálunk, melyek azonos katódokkal (például rézzel), de különböző anódokkal készülnek, a következő összefüggéssel találkozunk: minél aktívabb az anódfém, annál nagyobb elektromos feszültséget (potenciálkülönbséget) mérhetünk. Ezért a fémek aktivitási sorát gyakran a fémek feszültségi sorának is nevezik.

Nyilvánvaló, hogy a Daniell-elem használata a gyakorlatban nem kényelmes. A XIX. században feltalálták az úgynevezett száraz elemeket. Nem oldatokat tartalmaznak, hanem zselészerű (nedves) anyagkeveréket.

Az ilyen típusú galvanikus elemek közül a legelterjedtebb a mangán-cink elem, amelyet először Georges Leclanché francia mérnök készített 1865-ben. A cinkanód (ez az áramforrás negatív pólusa) körbeveszi az NH4Cl-ZnCl2 elektrolitgélt, a katód - a mangán(IV)-oxidba (MnO2) merülő grafitrúd (19. ábra). A katódon (ez a pozitív pólus) játszódik le a Mn4+ redukciója. A Leclanché-elem gyantával van hermetikusan lezárva.

A galvánelem működése közben a következő folyamatok játszódnak le. A cink oxidálódik:

ennek eredményeként a galvánelem belső héja fokozatosan semmisül meg. A grafiton a mangán a következő vázlat szerint redukálódik:

A Leclanché-elem pólusainál 1,5 V feszültség keletkezik. Ha több ilyen elemet csatlakoztatnak egymás után (az első elem katódja a második anódjával, a második katód a harmadik anódjá-val stb.), primer elemet kapunk. A pólusok feszültsége megegyezik a galvánelemek feszültségével. Hátránya, hogy ez az elemállás közben is lemerülhet.

Az elmúlt évtizedekben jelentős kereslet alakult ki a hosszan tartó primer elemek iránt. Legtöbbjük cink-anóddal rendelkezik. A cinkezüst galvánelemben (20. ábra) a cink mellett ezüst(I)-oxidot (Ag2O) és kálium-hidroxidot (KOH) is tartalmaz. Működése során oxidáló és redukáló reakció lép fel:

Az elemek csak egyszer használatosak. Vannak olyan kémiai áramforrások, amelyeket

rendszeresen töltenek az elektromos hálózatból és újra használják. Ezek az akkumulátorok. Mobiltelefonok, laptopok, kamerák, autók áramforrásai. A leggyakoribbak az ólom- vagy savas akkumulátorok (21. ábra). Működésük reverzibilis reakción alapul:

A 20. század második felében előállított kémiai áramforrások kadmium, higany és számos egyéb mérgező kémiai elemet tartalmaztak. Ezeket már kivonták a forgalomból, a mai primer elemeken, akkumulátorokon a "Cd - 0%", a "Hg - 0%" jel látható.

A primer elemek, akkumulátorok intenzív használata miatt aktuális a feldolgozásuk problémája. Sok országban, beleértve Ukrajnát is, a használt elemeket meghatározott helyeken gyűjtik; a gyűjtőedények szupermarketekben, oktatási intézményekben vannak elhelyezve (22. ábra). A feldolgozó üzemekben az akkumulátorokból cinket és más színes fémet vonnak ki, eltávolítanak egyes vegyületeket.

ÖSSZEFOGLALÁS

Az oxidációs-redukciós reakciók eredményeként elektromos áramot termelő készülékeket kémiai áramforrásoknak nevezzük. Ide tartoznak a galvánelemek. Fő összetevőik az elektródák: redukáló szerként funkcionáló aktív fém és valamilyen oxidáló anyag.

A galvánelem a primer elemek alapja. Többször használatos áramforrás az akkumulátor, mely a reverzibilis oxidációs-redukciós reakciónak köszönhetően többször is feltölthető.

A kémiai áramforrások növekvő használata megköveteli egy feldolgozói iparág létrehozását.

97. Javasoljatok két, a Daniell-elemhez hasonló galvánelemet, ahol az egyikben a nikkel-elektród a katód, a másikban pedig az anód.

98. Mi történik, ha a Daniell-elemet a következőképpen változtatjuk meg: a cink- és a réz(II)- szulfát-oldatot egy edénybe öntjük és cinkés rézelektródákat helyezünk bele? Vajon működik-e ez az elem?

99. Szerintetek miért nincs kalcium-anóddal működő Leclanché-elem, holott nagyobb elektromos feszültséget hoznának létre, mint a cink-anódok elektródái?

100. A réz- és cinklemezek kezdeti tömege a Daniell-elemben 20 g volt. Az elem működése során a rézlemez tömege 12,8%-al nőtt. Milyen lett a cinklemez tömege?

101. A Leclanché-elemben a cink tömege 0,26 g-mal csökkent. Milyen tömegű mangán(IV)-oxid vett részt a kémiai átalakulásban?

ÉRDEKLŐDÖK SZÁMÁRA

A fehérje-katalizátorok

a modern kémiatudomány egyik prioritása

Tudjuk, hogy a katalizátorok olyan anyagok, amelyek felgyorsítják a kémiai reakciókat. Katalizátorként funkcionál néhány fém, számos fémelem oxidja, olykor a víz is. A szerves vegyületek tanulmányozásánál megismerkedtetek az enzimekkel - a fehérje alapú katalizátorokkal.

2018-ban a fehérje-katalizátorok irányított fejlődése technológiájának megalkotásáért a Nobel-díjat a Kaliforniai Műszaki Intézet professzora, Frances Hamilton Arnold nyerte el (23. ábra). Kollégáival kifejlesztette a DNS-fehérjék megváltoztatásának olyan módját, aminek eredményeként a sejt új enzimeket termel, amelyek különböző reakciók katalizátoraként működhetnek.

A kutatási eredmények alkalmazásának területe igen széleskörű: bio-üzemanyagok és bio-tüzelőanyagok termelésénél, bio-ada-lékanyagok, gyógyszerek, egyéb szerves vegyületek előállításánál. A megtervezett fehérje-katalizátorok utat nyitnak új technológiai folyamatok létrehozásához, a toxikus katalizátorok biztonságos vegyületre való lecserélésének lehetőségét nyújtják.

 

Ez a tankönyv anyaga Kémia a 11. osztály számára Pavlo Popéi

 



Попередня сторінка:  12. Ásók hidrolízise
Наступна сторінка:   14. A nemfémes elemek



^