Nieorganiczna w zarysie: elektrochemia cz. III

Witam,

dzisiaj ostatnia już część działu zwanego elektrochemią. Na maturze zawsze pojawia się zadanie z ogniw bądź też elektrolizy, dlatego opanowanie tego materiału jest podstawą, jeśli chcecie stracić punktów cennych na wagę złota przy startowaniu na medycynę ;).


Elektroforeza - krótko i na temat. 

       Technika analityczna służąca do rozdzielenia mieszaniny związków chemicznych na możliwie jednorodne frakcje przez wymuszanie wędrówki ich cząsteczek w polu elektrycznym. Koloidalne, naładowane cząsteczki poruszają się w polu elektrycznym elektrolizera. Szybkość wędrowania cząsteczek zależy przede wszystkim od ich wielkości, posiadanego ładunku i masy cząsteczkowej, co zezwala na rozdział układów o różnej wielkości i budowie cząsteczek. Z elektroforezą mają do czynienia osoby pracujące w genetyce, chemii, biologii molekularnej. Elektroforeza jest najczęściej stosowana do rozdzielania DNA, RNA lub białek wyekstrahowanych z komórek lub syntetycznych. Możemy zbadać białka osocza krwi i na tej podstawie wstępnie określić stan zdrowia pacjenta. Zwiększenie białek w osoczu krwi może być sygnałem o produkcji dużej ilości białek nieprawidłowych przez komórki nowotworowe. Ale również zbyt mała ilość białka jest symptomem choroby. elektroforeza umożliwia nam ilościowe i jakościowe (czyli jakie białka wstępująca w jakiej ilości) zbadanie surowicy krwi i na tej podstawie wyciągnięcie jakiś wstępnych założeń co do pacjenta.  Nigdy nie zapomnę jak na ćwiczeniach z biochemii rozdzielaliśmy białka  przy użyciu elektroforezy żelowej ! Moje raporty z proteinogramem z tamtych zajęć gdzieś się wszędają na strychu.
Okej, tytułem wstępu. Co na maturę?

Pamiętać należy, że w polu elektrycznym podczas rozdziału cząsteczki obdarzone ładunkiem dodatnim (kationy) poruszają się w kierunku do katody (-) o przeciwnym znaku.
Natomiast aniony, do anody (+).
Tyle.



Wzór Nernsta

Nie jest wpisany do wymagań, ale nie jest powiedziane, że się nie pojawi ! Mogą zrobić wprowadzenie co to jest równanie Nernsta, podać wzór itd. i będziesz musiał rozwiązać zadanie na podstawie analizy informacji. Komisję obchodzi czy uczeń potrafi czytać ze zrozumieniem, a nie czy uczył się tego wzoru i czy już się z nim zetknął. Mogą dać prosty logarytm do obliczenia bez kalkulatora naukowego. Musimy umieć logarytmy proste!
Oswajam was z nim :).
Dla półogniw metalicznych ma on postać:

Zadanie:

Korzystając z tablic potencjałów półogniw metalicznych oblicz wartość potencjału elektrody cynkowej zanurzonej w roztworze jonów Zn2+ o stężeniu 0,01 mol/dm3

Zn2+ + 2e- -----> Zn
    0
E    = - 0,76V
C= 0,01 mol/dm3 (czyli log = -2)
n= 2

Odp. - 0,82V



********************************************************************************



Płytki w roztworach

Temat, którego podstawą jest szereg napięciowy metali.
Często omawiany przy reakcjach redoks.
Może kilka słów o szeregu napięciowym, tak aby was wprowadzić ;).

Kwasy utleniające:
stęż. H2SO4
stęż. HNO3
rozc. HNO3

• metale za wodorem, to metale aktywne, wypierają wodór z kwasu , maja właściwości redukujące, są reduktorami (redukują iny związek, a same sie utleniają), maja ujemne wartości potencjałów, reagują z kwasami nieutleniającymi np. HCl, jak i utleniającymi. Wśród metali aktywnych możemy wyróżnić metale ulegające pasywacji w kontakcie np. z kwasami utleniającymi stężonymi ( na zimno) czy powietrzem. Są trzy takie metale,a mianowicie glin, żelazo, chrom. Reagują one tylko z kwasami nieutleniającymi (np. HCl lub rozc. H2SO4) i utleniającymi rozcieńczonymi ( roz. HNO3), bo w kontakcie z kwasem stężonym pasywują i uniemożliwia to zajście dalszej reakcji. Do zapamiętania :)!

 GLIN

ŻELAZO

      CHROM      

 PASYWUJĄ  

* na gorąco z kwasami utleniającymi stężonymi reagują i pasywacja nie zachodzi. Ale generalnie na maturze na zimno, przyjmujemy że nie reagują ze stężonymi. Jeśli nie piszą nam czy kwas jest stężony i rozcieńczony, to zakładamy że nie reaguje z metalem pasywującym.

Al + stęż. HNO3 ---> reakcja nie zachodzi
Al + rozc. HNO3 ---> 2Al(NO3)3 + 3H2
reakcja zachodzi bo rozcieńczony kwas rozpuszcza warstewkę tlenku z pasywacji

• metale za wodorem, to mniej aktywne, z dodatnim potencjałem (elektrododatnie) , mają właściwości utleniające, są utleniaczami, a same się redukują. Reagują trudniej, niż metale za wodorem dlatego tylko z kwasami utleniającymi dając odpowiedni tlenek. Mamy tu też pewien wyjatek- metale szlachetne jak złoto, platyna, srebro, pallad są bardzo słabo reaktywne - reagują tylko z wodą królewską. Jest, to mieszanina stężonego kwasu solnego i azotowego w stosunku objętościowym 3:1, co daje jej bardzo silne właściwości utleniające.

Cu + 4HNO3 stęż. ----> Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
 z rozcieńczonym HNO3 da nam tlenek NO, a ze stęż. H2SO4 SO2

NO2- brunatny gaz
NO-  bezbarwny gaz, brunatniejący u wylocie próbówki
2NO + O2 ---> 2NO2

Zwróć uwagę, że już tlenek CuO reaguje z HCl, powstaje sól i woda.



                                                                    **********************



Uwaga zadania a płytki liczymy a dwa sposoby.

1. Jeśli w treści nie pisze, że płytkę oczyszczono z osadu drugiego pierwiastka, to możemy policzyć wykorzystując tzw. deficyt masy.

Zad. 1

W roztworze Cu(NO3)2 zanurzono płytkę kadmowa o masie 100g. Po pewnym czasie wyjęto ją z roztworu, przemyto i wysuszono. Jej masa wynosiła 98g. Ile gramów każdego z pierwiastków zawierała ta płytka?

               112g           64g
Cu2+  +   Cd-------> Cd2+   +  Cu
               100g            98g
 
Na jony nie patrzymy, bo interesuje nas masa płytki, w tym przypadku. Najlepiej podkreślcie sobie Cd i Cu.
rzeczywista różnica masy 100g-98g= 2g
teoretyczna różnica masy 112g-64g=48g

mCurz            64
--------  =  ------   =>  mCurz = 2,6g (tyle gram Cu zawierała płytka)
    2             48

A ile gram było kadmu?
98g-2,6= 95,4g kadmu

Zad. 2

Do 200 cm3 roztworu AgNO3 zanurzono płytkę cynkową. Masa wydzielonego po pewnym czasie srebra wynosiła 5,4g . Jakie jest stężenie molowe jonów cynku ?


                  65g                               216g
2AgNO3 + Zn-----> Zn(NO3)2 +  2Ag
                                                       5,4g 


zmiana masy teoretyczna 216-65=151g

mAg rz       delta m rz
-------  = ------------
mAg t        delta m t


5,4     delta mrz
---  = ---------  ===>  delta masy rzeczywista = 3,775g (o tyle zmieniła się masa płytki, o tyle wzrosła)
216     151       

mZn rz      delta m rz          mZnrz        3,775
------   = -------------     --------  =   ------ => 1,625g (0,025mola tyle było Zn g i tyle Zn przeszło do r-ru
 mZn t       delta m t             65              151

0,025 mola/0,2dm3 = 0,125 Zn2+ mol/dm3 => takie było stężenie.


Zad.3

Do naczynia z roztworem CuSO4 włożono drut żelazny, którego masa po pewnym czasie wzrosła o 2g. Ile gramów miedzi osadziło się jednocześnie na drucie?

Fe + Cu2+ ----> Fe2+ + Cu

mCurz       2g
------   =------     => 16g Cu
64g           8g




2. Sposób układamy proporcję. Stosujemy do zadań w których płytkę oczyszczono z osadu.

Zad.4

Płytkę miedzianą o masie 8g zaburzono w roztworze azotanu (V) srebra. Po pewnym czasie płytkę oczyszczono z osadu srebra, osuszono i zważono. Masa płytki wynosła 6,5h. Zapisać równanie zachodzącej reakcji i obliczyć mase wydzielonego srebra.


Cu + 2AgNO3 -> Cu(NO3)2 + 2Ag
 8g                                             6,5g

8g-6,5g= 1,5 g miedzi tyle przeszło do roztworu (przereagowało)

Gdy 64g reagują, to powstaje 216g srebra
Gdy 1,5g reaguje - x Ag
x Ag= 5,0625g tyle gram się wydzieliło


Często mamy również pytania jak zmienia się masa płytek, które zanurzono w roztworach soli, wysuszono i zważono.
Masa płytki zmienia się gdy metal wypiera słabszy z jego soli np. Zn wypiera Cu z soli CuSO4, a Ag nie wypiera Cu z CuSO4.
W przypadku reakcji masa płytki maleje gdy osadza się na  płytce lżejszy metal, rośnie gdy cięższy.