C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie Elektrochemie Nothing is too wonderful to be true, if it be consistent with the laws of nature, and in such things as these, experiment is the best test of such consistency. Michael Faraday, laboratorní deník, záznam 10040, 19. březen 1849 Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/1/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie Aktivity iontů, Debye-Hückelova teorie, iontová atmosféra. Termodynamika elektrochemických článků, závislost elektromotorické síly na teplotě. Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/2/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/3/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie STŘEDNÍ AKTIVITNÍ KOEFICIENT (měřitelný) m m± ±= O ( ) -1 2 4 -1 2 4 3 ln 0.1311 mol kg H SO : 0.5 mol kg In SO 0.01: 4 RT a a x γ γ γ± ± ± ± ± = = = + Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/4/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie individuální aktivitní koeficien individuální ion a t (neměřitelný): i im m= O ln ... i i i i m RT a a m γ+ =O ... i im m= O ln im RT m + O ( ) korekc ideáln e 0 í 0 , složení lim 1 ... im l l n i i i i i i i i m m i m m a T m R γ γ γ γ → → + = = = (((    ( ( (  O standardní stav ele ... skutečné chování : hypotetický roztok o ktrolytu im m= O bez interakcí vedoucích k neidealitě (jako u neelektrolytů): 1 přii im mγ= = O neidealita (NE 1) .. je zcela . hypotetické cho (odděleně) obsa vání . žena v.. i i a γ = Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/5/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( ) + + MX M X ... silný elektrolyt (HI, KC uni-un l, ... i valentní e ) aditivita parciálních molárních veličin: lektrolyt m m m m - + → + = + = O STŘEDNÍ AKTIVITNÍ KOEFICIENT m-+ O id id ideální id + interakc + e ln ln lnRTRT a RT a γm m m m γ-+ - + - + + + = = ++ ( ((( O ln m RT m + + O id , m m- -= O ln m RT m + O id + id i + 2d neboť míra zavinění neideality nelze spravedlivě (měřením) přisoudit kationtu a aniontu, pokládá se za stejnou lnlnR RTTm m γm γ γ γm γ γ± -±+ - - =  = + + =←+      Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/6/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie + M X M X M X + obecně M nábojová čísla X M X ... 0, , , 0, 0 ...p q p q p q z z p q p q pz qz s p q m pm m qm p q p z z m m m m m + −− + − + − + − − + → + + = = + = = > < = = + = O STŘEDNÍ AKTIVITNÍ KOEFICIENT qm−+ O +ln lnpRT a qRT a pm+ −+ + = = O ln m pRT m + + O qm−+ O ln m qRT m − + O ( ) + interakc id id i id de 1 eální DEF: aditivita chemických potenci ln á ln ln l lů n p q s p q pRT qRT Tp Rq sRTm m γ γ γ mγ γ γ γ m γ ± ± + − + − − + − + + = = + = ←= + = + (((( Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/7/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie 6 (1923) (jednoduchá) teorie (neideality) roztoků iontů 1 energie interakce 1 - nenabitých molekul - iontů DHT uvažuje jen elektrostatické interakce neidealita ideální r r g ∝ → ∝ DEBYE - HÜCKELOVA TEORIE nenabité ionty" pravděpodobnost výskytu kationtu je vyšší v blízkosti aniontu strukturní model: Coulomb kontračasový průměr ( ): centrální ion (CI ION ) je obklopen (mírným) přeb TOVÁ ATMO BrownSFÉRA ... " → ytkem iontů opačného náboje Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/8/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie A Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/9/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie  ( ) ( ) el id el el e el id i nabitínenabité l d m eleticá práce spojená s nabíjením iontu v ideální ("nenabit reálné ("nabi p úoly: é ionty") té ionty" oli IA ln ) ln w s w G w w w sRT s T RT G R γm m γ m γ m m m m ±± → − ⇒ = = − =∆ → ∆  = → ∆  = + → (( el * průměrné rozdělení iontů (eletrostaticý potenciál IA) * výpočet w Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/10/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie el IA ... model potenciál bodového náboje - vliv dipólů a nábojů prostorový náboj - Poisson - Boltzmann - Debyeova šířka iontová síla elektrická práce aktivitní koeficient závěr →w A B C D E F Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/11/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie r → φ 0 r4 1i i i z e r Z r φ pe e - =- =- D 2 r D r 6 6 H O (298) 78.54 EtOH 24.30 C H 2.274 lim 1 1 exp ... stínění (náboji 1 ... tlumení (dipóly 1 ... vakuum ) 2 1 ) 2 2 D r r r e r r r r r e e - →∞ = = = =   -   = >  B Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/12/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 2 2 Poissonova rovnice: hustota náboje v IA kulově sje časovém průměru , , , , ... ...1 proměnná, , ymetric ... , ká 1 i i xyz r i i r d rd r r d x x y z r y d r y ϑj r ϑ j φφ φ φ r φ e φ ϑ j ∂ ∂ ∂ ∆ = → ≠ ∆ → ∆ − ∆= + + ∂ ∂ ∂ = C POTENCIÁL PROSTOROVÉHO NÁBOJE ( ) ∆ ∆2 2 ∆ ∆ ∆ exp ... je určeno hustotou je základní charakteristika * * následující stránk I a A i i i i i i i i Z r r r r r r r r r r e e φ φ φ r r r e   =   ← = −    ⇒ =− ⇒ −    = − Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/13/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 D D D D 2 D D D D D 2 2 D D 1 exp exp exp 2 exp 1 e 1 exp x 1 p i i i i i i i i i i d Z r Z r Z r d rd Z r r r r d dr r r r r rr r d rd d r r r Z dr dr dr r r Z r r Z r r r r r dr r r φ r φ e φ        − =−−−−                    = −− + =               =+ − + −         =− ← = −         ( ) ( ) 2 D D D 2 2 2 2 2 D D 2 D D D exp exp 1 1 1 3 exp exp i i i i i r Z r r r r r d rd Z r Z r r r r dr d rr r r r r r r φ φ     − = −              = −= −=            Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/14/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( ) ( ) (Coulomb Brown) DHT: tepelná rovnováha ion o náboji přeneseme do IA centrálního ion HUSTOTA NÁBOJ tu (kation E V IA Boltzman ) z místa, kde 0 (v ) ... změna energie nova distribu ec : j i i j z e i E r r Eφ r r × = ∞ → ∆   ( ) ( ) ( ) 0 0 relativní pravděpodobnost exp počet iontů v jednotkovém objemu v místě 0 počet iontů v jednotkovém objemu v místě Coulomb exp Brow e n xp 0 . j j i i ij j j i j iz e r z e r kT kT z e r E kT φ φ φ φ φ = ∆  ∝   -- =    ≠ =    = -    =      N N N ( ) ( ) ( )0 0 1| 1 ... pokles | nárůst 1| 1 ... nárůst | pokles exp exp .. hustota dostatečně daleko od centrálního iontu i i i z e r z e r r z e z e z e z e kT kT i φ φ r + + + - - + + - < > > <     = =- -         N + N N + N Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/15/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( ) ( ) ( )0 0 1 ... elektrostatická interakce je malá proti : (Brown vítězí nad Coulombem, vítězství Coulomba znamená agregaci ion exp ex t p ů do x i i i i z e r z e r r z e z e x kT e z e k e e k kT T z T φ φ φ r + + + - - + + -     = =- -        = + -  N + N N + N ( ) ( ) ( ) ( )0 0 zanedbáváme0 elektroneutral 2 0 2 0 2 lineární člen rozita voje krystalu) ... x i i e e r r z zz z e kT φ r + + + + - -- -= +-    N + NN + N Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/16/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( ) ( ) ( ) [ ]0 3 3 0 A R 0 R A R R R A R R 2 0 2 R 0 2 mol kg 1 1 kg m mol m zjednodušení předešlého vztahu: ( je hustota zředěného roztoku hustotě rozpo 1 ; uštědla ) j j j j j j j j j i j i n n N N m m N m V N V V e r r z k N T m z r r r r r φ r r + + - = == = = ⇒ = = = - ≈    D IONTOVÁ SÍLA NN N N + N 1 DEF: 2 jm I m =    O 2 2 2 elstat globální míra elektrostatických interakcí (náboj - náboj) v roztoku: 1/ j j j q z q E r r m z ∝ ∑     Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/17/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( )2 2 IONTOVÁ SÍLA 1 jediný elektrolyt: / 2 I m z m z m+ + - -= + O ( ) ( ){ }2 2 , ... molalita elektrolytu valentní elektrolyt (KCl):un 1 i - u 2 ni 1 1 / m I m m m= + + - O m m = O ( ) 2 2 4 2valentní elektrolyt (K SO ) M X 2M +uni - bi X : 1 4 / 2 I m m m + + - → = + O ( ) 1 2 4 / 2 m m m= + O 3 m m = O I m k m = O 2 3 4 2 3 4 1 3 6 10 3 4 15 12 6 15 9 X X X 42 X M M M M 10 12 42 16 k - - - - + + + + Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/18/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 R 2 0 2 0 2 A 2 2 i i i i I e r r e m N m z m z r T Tk k z z r φ r r φ+ + - + - -- + ← =- =- × O +N + N mO R A2 N mr = = - O 1 2 m m + O 2 m z m + O + ( ) ( ) 2 A2 2 R2 ii I e z r kT N mIe r r rφ- =   =    O ( ) ( ) ( ) 2 D 2 2 R A (dříve) (v každém bodě; " " ... v IA převládají protionty) 2 i i i i i RT e N r kT r r r Im φ r φ eφ r e r       = - - = ∝ O 2 R2 RT F mIr e = O [ ]4 1 A D D D r 9.648 10 C mol určuje & v IA klesá s větší stínění pole centrálního iontu roste s větší zeslabení pole centrálního iontu i i F eN r r I r φ r e = ×   Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/19/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 2 12 1 2 1 1 2 D 3 3 4 1 1 20 2 D uni - univalentní elektrolyt, H O, 298.15 K, = 0.01 mol kg : 78.5 8.854 10 J C m 8.314 298.15 J mol 2 0.997 10 kg m 9.648 10 C mol 1 mol kg 9.28 10 m 0.305 : nm , pří m r I I r I k ad I l - - - - - - × × × × = × × × × × × × = = = ( )1 2 2 D0.01 ... uni - bivalentní elektrolyt, H O, 298.15 K, = 0.01 mol kg CaC 3 l : nm 3 m m r I m - = = O ( ) ( )D D D uni-uni , 3 ... uni- 1 bi .7 nm r r r == Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/20/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( ) ( ) ( ) D celkový IA CI IA celkový IA CI 2 D IA 0 0 D D D exp / 1 ; 1 IA ... 1 ... 2 lim v mí0 stě C kolem CI je ekvivalentní I 1 1 4 x i i r r i iZ z e r r r r Z e x r rr r r r r Z r φ p φ φ φ φ φ e φ φ → → -  = + ⇒ = - = - = + -       - + -     = = -   =     -  - = E AKTIVITNÍ KOEFICIENT D působení stejně velkého náboje opačného znaménka na povrchu koule o poloměru (tloušťka IA) se středem v CIr r= Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/21/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( ) ( ) el el el, A IA 0 2 2 AA D D0 + 2 el,M X el,+ el, A D 2 e IA D D l, A 2 , pro 1 mol iontů 0 ELEKTRICKÁ PRÁCE 0 , 4 8 M X M X ln 8 8 4 i i p q z e i z e i z z i i i p q w dw dq w N dq z e NN q p dq r r p q w pw qw F sRT z sRT N e F r r z r w sRT N φ φ pe pe γ pe p φ e pe + −− − ± →= =− =− =  = − → + + = = = − = − ∫ ∫ ( ) 2 A D 2 2 2 2 , 0 (elektroneutralita) , 0 8 z qz qz pz s p q pz qz p q z z pz qz qz F z z N r RT z pz z sz z pe+ − − + + + − + − + −− + + + − −− + =+ + = ⇒ =− = = − − + =−− =− > Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/22/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie 2 D A D 2 R ln , 28 F z z r N r RT RT IF m e r γ pe± + -= - = O ( ) ( ){ } R 1/ 2 1/ 236 3 2 3 R r 3 R r elektrolyt je charakterizován jen nábojovými čísly, prostředí iontovou silou a (a a ) log 1.825 10 /g cm / / K pro H O, 0.997 g cm , 78.54, 29 lo 8.15 K g log T A z I z T z I T z e r r e e γ r γ γ + - ± - - ± + - ± =- × =       = = = 2 0.509 Debye - Hückelův limitní zákon (nízká molal individuální aktivitní koeficient: log ita) k k I A I z z z γ + = - = Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/23/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( ) ( ) ( ) 3 r Je model správný? experiment , platí při 10 a nižších (uni - uni, symetrické ellyty) APROXIMACE: 1 je pro homogenní rozpouštědlo 2 bodové ionty 3 DHT je l sféricky imitní zá symetric ko ká Poiss n m e - ⇐ ≅ F ( ) ( ) onova rovnice + Boltzmann linearizováno 4 jen interakce náboj - náboj (nejsou interakce mezi ionty v IA) ad 2 log je efektivní poloměr iontu, další konstanta 1 A z z I a B a IB γ + - ± → = - + Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/24/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) log ... DH - limitní zákon log 1 ... iontový poloměr log 1 NaCl aq A ,298 KE B C x A z z I A z z I Ba I a A z z I CI Ba I γ γ γ ± + + - ± + - ± = = - + =- + + logγ± I Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/25/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie Termodynamika elektrochemických článků Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/26/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( ) ( )L L L P P P P P L L P P L L Red Ox Red Ox 0 " " 0 " " samovolně v galvan. článek: reakce: poločlánkové reakce (redukce) č. Ox e Pt | Red , Ox || Re : celková reakc Red Ox e Red , P d , Ox L | Pt e: E E E E E E E n n n−− →+ +← > → < ← + → + = → − − =  O L P L P Ox Red Red Ox ln a a Q a RT Q E aFn − = O ln RT K Fn = Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/27/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ROV ČLÁNEK V ROVNOVÁZE ROV: 0E Q EK= =  O ( ) ( ) L P P L P P L L P P L 1 REAKCE: Red Ox Red Ox "P" a "L" se vztahuje k poločlánkům (ne k reakci) 2 ČLÁNEK: identifikace v reakci rozklad celkové re ln Red , akce n Ox , Red , Ox a poločlán VÝPOČ kové Ox e Red ET Ox : RT K K F K n n →+ + ⇒← + = → + ( ) ( ) ( ) L L L P PPt | Re e Red , d , O kontrol x || Re a: P L 3 d , Ox | Pt E n - → - O PE= O LE- O (z tabulek) ln K FEn= O / , 298.15 / 0.025693 V, lnRT R KF En × = = O 0.025693 Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/28/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie 2+ 2+ 2+ RO 2 V + 2+ o o o Cu ,Cu Z 2+ 2+ o Zn Zn Cu Cu n ,Z 2+ 2+ + 2 n 2 + Zn(s)|Zn (aq) || Zn(s) + Cu (aq) Zn (aq) + Cu ( 0.34 V) Zn (aq) + Zn(s) nal ( 0. Cu (aq) | Cu(s) 7 (s 6 evo Cu ) (aq) Cu(s) na V) 1.10 V parvo l 2e 2e n , a aRT E E Q F a a E E E n − − = − =+ − → + → = − → − =+ = 2+ ROV ln K FEn         = O / , 298.15 / 0.025693 V, lnRT R KF En × = = O 37 0.025693 1 10K ≈ × Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/29/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( ) ( ) ( )2Pt|H g | HCl ČLÁNEK REA aq | AgCl|A KCE g1 E →  O ( ) ( ) ( ) + 2 3+ 2 1 AgCl + H Ag + C 1 L: H e H P: AgCl + e Ag + Cl 2 P L: Ag|AgCl|HCl aq || HBr aq | AgBr 5l |Ag . 0. 23 1 1 H ; 0 2 2 22 K E ν −−− − → + =+ = = + → × → −   O ( ) 3 2 2 2 AgBr + Cl AgC L: A l + Br gCl + e Ag + Cl P: AgBr + e Ag + Br P L: Cu|CuCl || MνCl , HC 0.1 3 5; l|MνO 2.9 10 | Pt 1 K E ν −− −−− − − = × → = − − → → =  O + 2+ 2+ 2 2+ + 2+ 2 2 2 30 L: Cu + 2e Cu P: MνO 4H 2e Mν 2 0.89; 2 MνO 4H C 1u H O P L: Mν .2H O + Cu 2 10K ν −− + + → = → + + → + +− = × + =  Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/30/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) + 2 2 + 2 2 + 4 2 2 2 1 1 L: 2H 2e H P 1 H g O : O g H 2e OH 2 1 g 3.8 10 REAKCE ČLÁNEK 4 P L: H g O g H H O l 2 2 K −−− → + + → + + → − + = × + →  OH 2− → + ( ) 2 + H O 2 2 H Pt|H |HCl aq | O | Pt E ((  O ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 18 2 1 Pt|H |HI aq | I | Pt .8 10 1.2 H g I 3; g 2 I aq5 H 2 K E ν = × =+ = + →   O (reakce ve vodνém roztoku; v (g) je výr 0.54; 2 azνě jiνá)K ν=+ = Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/31/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie Závislost elektromotorické síly na teplotě ( ) , ,E T G H S E → ∆ ∆ ∆ O rln RT K G Fn =− → ∆ O rlnRT K G=− ⇒ ∆ O FEn= − O  e r r r (maximální práce mimo expanzní) ompletní reace (ta, ja je napsaná) při onstatntním složení eletricá práce náboj potenciálový rozdíl při jaémoliv složení 0 0 F E G w G G FE G E n n ′∆ =− ∆ × ∆ =− ∆ = ⇒ =   (((((( r r ("vybitý" článe) reagují−li láty ve standardním stavu: G G∆ =∆ O FEn= − O Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/32/33 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 7. Elektrochemie r r r r r r r r r r r r r r , 0 pp p p p G FE G FE S T T dT G H T S H G T S FE E H G T S FE T F E S T F G E T T T ν ν ν ν νν ∂∆ ∂    ∆ = − = −∆ = − ⇒    ∂ ∂    = ⇒ ∆ =∆ + ∆ ⇒ ∆ ∂ ∆  =  =∆ + ∆  ∂ ∂    ∆ =∆ + ∆ =− + =−−     ∂ ∂      ∂  ∆ O FEν= − O rS∆ O E Fν ∂ = O r p T H    ∂  ∆ O F Eν= − O E T ∂ − O νekalomitrické měřeνí termodyνamických fuνkcí p T       ∂    Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 07/33/33