Ενότητα: Ηλεκτρανάλυση Διδάσκοντες: Σογομών Μπογοσιάν, Καθηγητής Αλέξανδρος Κατσαούνης, Επίκουρος Καθηγητής Δ. Σωτηροπούλου, Εργαστηριακό Διδακτικό Προσωπικό.

Παρουσίαση με θέμα: "Ενότητα: Ηλεκτρανάλυση Διδάσκοντες: Σογομών Μπογοσιάν, Καθηγητής Αλέξανδρος Κατσαούνης, Επίκουρος Καθηγητής Δ. Σωτηροπούλου, Εργαστηριακό Διδακτικό Προσωπικό."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Ενότητα: Ηλεκτρανάλυση Διδάσκοντες: Σογομών Μπογοσιάν, Καθηγητής Αλέξανδρος Κατσαούνης, Επίκουρος Καθηγητής Δ. Σωτηροπούλου, Εργαστηριακό Διδακτικό Προσωπικό Τμήμα: Χημικών Μηχανικών

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Αναφορά, Απαγόρευση Εμπορικής Χρήσης και Διανομή.

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

4 ΗΛΕΚΤΡΑΝΑΛΥΣΗ

5 ΗΛΕΚΤΡΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ Στηρίζεται στις χημικές αντιδράσεις στις οποίες ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από ένα χημικό είδος στο άλλο. ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ

6 ΓΕΝΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ Από τη μέτρηση των ηλεκτρικών ποσοτήτων προσδιορίζεται η συγκέντρωση ενός από τα χημικά είδη που υπάρχουν στο διάλυμα. Υπάρχουν πολλοί τρόποι με τους οποίους είναι δυνατή η κατασκευή και η λειτουργία ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου, δημιουργώντας ταυτόχρονα μια ποικιλία τεχνικών για ειδικές χρήσεις.

7 Ποτενσιομετρία Ποτενσιομετρική Τιτλοδότηση Ηλεκτρόλυση Κουλομετρία Βολταμετρία Πολαρογραφία Χρονοποτενσιομετρία Αγωγιμομετρία

8 ΓΑΛΒΑΝΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ OxA│RedA││OxΒ│RedΒ. ΑΝΟΔΟΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΚΑΘΟΔΟΣ ΑΝΑΓΩΓΗ ΜΙΚΡΟΤΕΡΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΣΥΝΔΕΕΤΑΙ ΜΕ ΤΟΝ ΑΡΝΗΤΙΚΟ ΠΟΛΟ ΤΟΥ ΒΟΛΤΑΜΕΤΡΟΥ ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΣΥΝΔΕΕΤΑΙ ΜΕ ΤΟ ΘΕΤΙΚΟ ΠΟΛΟ ΤΟΥ ΒΟΛΤΑΜΕΤΡΟΥ

9 ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ Μετατροπή του γαλβανικού στοιχείου Daniell σε ηλεκτρολυτικό γαλβανικόηλεκτρολυτικό Σύνδεση εξωτερικής πηγής ανάστροφα

10 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ Το 1800 οι Νίκολσον και Καρλάιλ παρατήρησαν ότι όταν βύθιζαν δύο μεταλλικές ράβδους (ηλεκτρόδια) σε διαλύματα (ηλεκτρολύτες) και τις συνέδεαν με μια μπαταρία, το ηλεκτρικό ρεύμα κυκλοφορούσε μέσω του ηλεκτρολύτη. Μάλιστα στο ένα από τα δύο ηλεκτρόδια παρατήρησαν εναπόθεση μιας ουσίας. Εξήγηση: Ορισμένες ουσίες μέσα στα διαλύματα διασπώνται σε φορτισμένα σωματίδια, τα οποία με την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου οδεύουν προς τα αντίθετα φορτισμένα ηλεκτρόδια. Το 1832 ο Faraday τελειοποίησε τους νόμους που διέπουν το παραπάνω φαινόμενο και ονόμασε τα φορτισμένα σωματίδια ιόντα από τη μετοχή αορίστου του ρήματος ειμί, ιόν = εκείνο που πηγαίνει. ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗ Faraday,από τους μεγαλύτερους πειραματικούς Φυσικούς όλων των εποχών

11 Ηλεκτρόλυση είναι η χημική αποσύνθεση μιας ουσίας με τη βοήθεια ηλεκτρικού ρεύματος. ΟΡΙΣΜΟΣ Ηλεκτρόλυση ελεγχόμενου ρεύματος Σταθερό ρεύμα (με αλλαγή της Ε εξ ) Μία ηλεκτροδιακή αντίδραση F · ισοδ.αντ.ποσ. = i · t Ηλεκτρόλυση ελεγχόμενου καθοδικού (ή ανοδικού) δυναμικού Σταθερό καθοδικό ή ανοδικό δυναμικό F · ισοδ.αντ.ποσ. =  i · dt Α Β

12 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Καθαρισμός μετάλλων, επίστρωση μετάλλων με χρυσό, ασήμι (γαλβανισμός) κ.λ.π. Σχηματικό διάγραμμα μιας διάταξης για καθαρισμό μετάλλου

13 Επιθυμείτε να καθαρίσετε κάποιο ασημένιο ή νικελένιο νόμισμα από τη συλλογή σας; Είναι αρκετά απλό. Η πειραματική διάταξη που θα στήσετε είναι η παρακάτω: Θα χρειαστείτε: Τροφοδοτικό 12 V Διπολικό καλώδιο Πλαστικό δοχείο Ένα ηλεκτρόδιο (κουτάλι ή μπουλόνι) Σόδα Καυτό νερό Ένα κουταλάκι Μια οδοντόβουρτσα

14 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Ο υπολογισμός της συγκέντρωσης ενός διαλύματος θεϊκού χαλκού με τη μέθοδο της ηλεκτρόλυσης (ηλεκτραπόθεση). Στη μέθοδο της ηλεκτραπόθεσης η ποσότητα μιας ουσίας προσδιορίζεται από την αναγωγή ή οξείδωσή της σ’ένα ηλεκτρόδιο, μετρώντας τη μεταβολή του βάρους του ηλεκτροδίου.

15 Τα ηλεκτροχημικά στοιχεία και όταν δε λειτουργούν έχουν μια Η.Ε.Δ. Αν προσθέσουμε στο κύκλωμα ενός στοιχείου μια εξωτερική πηγή Ε εξ ώστε οι δύο Η.Ε.Δ. να είναι αντίθετες και η Ε εξ να είναι μεγαλύτερη από την Ε στοιχ, αντιστρέφεται η αυθόρμητη φορά της αντίδρασης. Δηλαδή έχουμε ηλεκτρόλυση του διαλύματος. Στην πράξη πρέπει να ικανοποιείται η παρακάτω σχέση. Ε εξ = Ε στοιχ + Ε υπερ + i R Το άθροισμα των υπερτάσεων στα ηλεκτρόδια R η ολική αντίσταση του κυκλώματος

16 Κατά την ηλεκτρόλυση δ. CuSO 4 πραγματοποιούνται οι παρακάτω αντιδράσεις: ΑΝΟΔΟΣ 2H 2 O ↔ O2 + 4H+ + 4e- E ανοδ = 1.18 V ΚΑΘΟΔΟΣ: Cu +2 + 2e - ↔ Cu E καθ = 0.31 V ΣΤΟΙΧΕΙΟ: 2H2O ↔ 2Cu + O2 + 4H+ E στοιχ = 1.18-0.31=0.87 V E εξωτ = 1.34 V Ε υπερτ = 0.47 V E εξωτ = 1.34 V Αν στο εξωτερικό κύκλωμα εφαρμοσθεί τάση Ε 1.34 V τότε θα αρχίσει η ηλεκτρόλυση και μεταλλικός χαλκός θα εναποτεθεί στην κάθοδο.

17 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Ηλεκτρικό κύκλωμα για την ηλεκτρόλυση

18 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Ξηραίνουμε τα ηλεκτρόδια Ζυγίζουμε το ηλεκτρόδιο πλέγματος σε αναλυτικό ζυγό Τοποθετούμε τα ηλεκτρόδια στις κατάλληλες υποδοχές (το κυλινδρικό πλέγμα να είναι η κάθοδος) Τοποθετούμε στο ποτήρι ζέσης το κυανοπράσινο διάλυμα CuSO 4 Το θερμαίνουμε και ξεκινάμε τη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης Εφαρμόζουμε στην άνοδο ένα δυναμικό 2 Volt

19 Κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης η τιμή της έντασης του ρεύματος ελαττώνεται. Όταν η τιμή της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος φθάσει στο 1/10 της αρχικής τιμής, το διάλυμα έχει αποχρωματισθεί και η ηλεκτρόλυση έχει ολοκληρωθεί. Επιβεβαιώνουμε το τέλος της ηλεκτρόλυσης Διακόπτουμε την τάση και ζυγίζουμε εκ νέου το ηλεκτρόδιο πλέγματος

20 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ Υπολογισμός της μάζας του Cu που αποτέθηκε στην κάθοδο Υπολογισμός της συγκέντρωσης του διαλύματος CuSO 4

21 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ R. Pescok, D. Shiels, T. Cairns and I.Mc. William in “Σύγχρονες Μέθοδοι στην Χημική Ανάλυση», εκδ. Γ.Α. Πνευματικός, Αθήνα 1980, κεφ.19. W. Schafer, J. Klunker, T. Schelenz, T. Meier, A. Symonds, in “laboratory Experiments Chemistry”, Phywe series of publications, Chapt. 6 D. Skoog, F. Holler, T. Nieman, in “Αρχές της Ανόργανης Ανάλυσης», Εκδόσεις Κωσταράκης, 2005. Σημειώσεις Φυσικοχημείας II, Ευκλείδου Τ., Παναγιώτου Σ., Γιαννακουδάκης Π. Ν. Κατσάνος, «Φυσικοχημεία-Βασική Θεώρηση», 2η έκδοση, Εκδόσεις Παπαζήση, Αθήνα 1984

22 ΤΕΛΟΣ ΕΝΟΤΗΤΑΣ