intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Chapter 20: Electrochemistry

Chia sẻ: Lê Minh Huy | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:59

39
lượt xem
3
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Balancing oxidation-reduction equations, oxidation-reduction reactions, voltaic cells, cell EMF, effect of concentration on cell EMF is the main content of the lecture "Chapter 20: Electrochemistry". Invite you to consult the detailed content lectures to capture details.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chapter 20: Electrochemistry

  1. Electrochemistry David P. White University of North Carolina, Wilmington Chapter 20 Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 1
  2. Oxidation­Reduction Reactions • Zn added to HCl yields the spontaneous reaction Zn(s) + 2H+(aq)   Zn2+(aq) + H2(g). • The oxidation number of Zn has increased from 0 to  2+. • The oxidation number of H has reduced from 1+ to 0. • Therefore, Zn is oxidized to Zn2+ while H+ is reduced  to H2. • H+ causes Zn to be oxidized and is the oxidizing agent. • Zn causes H+ to be reduced and is the reducing agent. • Note that the reducing agent is oxidized and the  oxidizing agent is reduced. Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 2
  3. Balancing Oxidation­Reduction  Equations • Law of conservation of mass: the amount of each  element present at the beginning of the reaction must  be present at the end. • Conservation of charge: electrons are not lost in a  chemical reaction. • In complicated redox reactions, we need to look at the  transfer of electrons carefully. Half­Reactions • Half­reactions are a convenient way of separating  oxidation and reduction reactions. Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 3
  4. Balancing Oxidation­Reduction  Equations Half­Reactions • The half­reactions for Sn2+(aq) + 2Fe3+(aq)   Sn4+(aq) + 2Fe3+(aq) are Sn2+(aq)   Sn4+(aq) +2e­ 2Fe3+(aq) + 2e­   2Fe2+(aq) • Oxidation: electrons are products. • Reduction: electrons are reagents. Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 4
  5. Balancing Oxidation­Reduction  Equations Balancing Equations by the Method of Half­ Reactions • Consider the titration of an acidic solution of Na2C2O4  (sodium oxalate, colorless) with KMnO4 (deep  purple). • MnO4­ is reduced to Mn2+ (pale pink) while the C2O42­  is oxidized to CO2. • The equivalence point is given by the presence of a  pale pink color. • If more KMnO4 is added, the solution turns purple  due to the excess KMnOChapter 20 Copyright 1999, PRENTICE HALL 4. 5
  6. Balancing Oxidation­Reduction  Equations Balancing Equations by the Method of Half­ Reactions Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 6
  7. Balancing Oxidation­Reduction  Equations Balancing Equations by the Method of Half­ Reactions • What is the balanced chemical equation? 1. Write down the two half reactions. 2. Balance each half reaction: a. First with elements other than H and O. b. Then balance O by adding water. c. Then balance H by adding H+. d. Finish by balancing charge by adding electrons. Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 7
  8. Balancing Oxidation­Reduction  Equations Balancing Equations by the Method of Half­ Reactions 3. Multiply each half reaction to make the number of  electrons equal. 4. Add the reactions and simplify. 5. Check! For KMnO4 + Na2C2O4: Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 8
  9. Balancing Oxidation­Reduction  Equations Balancing Equations by the Method of Half­ Reactions 1. The two incomplete half reactions are MnO4­(aq)   Mn2+(aq) C2O42­(aq)   2CO2(g) 2. Adding water and H+ yields  8H+ + MnO4­(aq)   Mn2+(aq) + 4H2O • There is a charge of 7+ on the left and 2+ on the right.   Therefore, 5 electrons need to be added to the left: 5e­ + 8H+ + MnO4­(aq)   Mn2+(aq) + 4H2O Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 9
  10. Balancing Oxidation­Reduction  Equations Balancing Equations by the Method of Half­ Reactions • In the oxalate reaction, there is a 2­ charge on the left  and a 0 charge on the right, so we need to add two  electrons: C2O42­(aq)   2CO2(g) + 2e­ 3.  To  balance  the  5  electrons  for  permanganate  and  2  electrons  for  oxalate,  we  need  10  electrons  for  both.    Multiplying gives: Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 10
  11. Balancing Oxidation­Reduction  Equations Balancing Equations by the Method of Half­ Reactions 10e­ + 16H+ + 2MnO4­(aq)   2Mn2+(aq) + 8H2O 5C2O42­(aq)   10CO2(g) + 10e­ 4. Adding gives: 16H+(aq) + 2MnO4­(aq) + 5C2O42­(aq)   2Mn2+(aq) +  8H2O(l) + 10CO2(g)  5. Which is balanced! Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 11
  12. Balancing Oxidation­Reduction  Equations Balancing Equations for Reactions Occurring in  Basic Solution • We use OH­ and H2O rather than H+ and H2O. • The same method as above is used, but OH­ is added  to “neutralize” the H+ used. Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 12
  13. Voltaic Cells • The energy released in a spontaneous redox reaction  is used to perform electrical work. • Voltaic or galvanic cells are devices in which electron  transfer occurs via an external circuit. • Voltaic cells are spontaneous. • If a strip of Zn is placed in a solution of CuSO4, Cu is  deposited on the Zn and the Zn dissolves by forming  Zn2+. • Zn is spontaneously oxidized to Zn2+ by Cu2+. • The Cu2+ is spontaneously reduced to Cu0 by Zn. • The entire process is spontaneous. Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 13
  14. Voltaic Cells Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 14
  15. Voltaic Cells • Voltaic cells consist of – Anode: Zn(s)   Zn2+(aq) + 2e2 – Cathode: Cu2+(aq) + 2e­   Cu(s)  – Salt bridge (used to complete the electrical circuit): cations  move from anode to cathode, anions move from cathode to  anode. • The two solid metals are the electrodes (cathode and  anode). • As oxidation occurs, Zn is converted to Zn2+ and 2e­.   The electrons flow towards the anode where they are  used in the reduction reaction. Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 15
  16. Voltaic Cells • We expect the Zn electrode to lose mass and the Cu  electrode to gain mass. • “Rules” of voltaic cells: 1. At the anode electrons are products.  (Oxidation) 2. At the cathode electrons are reagents.  (Reduction) 3. Electrons cannot swim. • Electrons flow from the anode to the cathode. • Therefore,  the  anode  is  negative  and  the  cathode  is  positive. • Electrons cannot flow through the solution, they have  to be transported through an external wire. (Rule 3.) Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 16
  17. Voltaic Cells Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 17
  18. Voltaic Cells • Anions and cations move through a porous barrier or  salt bridge. • Cations  move  into  the  cathodic  compartment  to  neutralize  the  excess  negatively  charged  ions  (Cathode: Cu2+  + 2e­    Cu, so the counterion of Cu is  in excess). • Anions move into the anodic compartment to  neutralize the excess Zn2+ ions formed by oxidation. Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 18
  19. Voltaic Cells A Molecular View of Electrode Processes • Consider the spontaneous redox reaction between  Zn(s) and Cu2+(aq). • During the reaction, Zn(s) is oxidized to Zn2+(aq) and  Cu2+(aq) is reduced to Cu(s).  • On the atomic level, a Cu2+(aq) ion comes into contact  with a Zn(s) atom on the surface of the electrode. • Two electrons are directly transferred from the Zn(s)  (forming Zn2+(aq)) to the Cu2+(aq) (forming Cu(s)). Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 19
  20. Cell EMF • The flow of electrons from anode to cathode is  spontaneous. • Electrons flow from anode to cathode because the  cathode has a lower electrical potential energy than  the anode. • Potential difference: difference in electrical potential.   Measured in volts. • One volt is the potential difference required to impart  one joule of energy to a charge of one coulomb: 1 J 1 V 1 C Copyright 1999, PRENTICE HALL Chapter 20 20
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2