Kuliah 15
1. Konsep elektrokimia. Atom terdiri dari partikel bermuatan - inti (+) dan elektron (-), tetapi secara umum mereka netral secara listrik. Kehadiran muatan listrik mungkin tidak terlihat. Namun terkadang kita menemui elektrifikasi. Kami menyisir rambut kami, tetapi rambut di kepala berhamburan. Pakaian menempel di tubuh, dan bahkan suara listrik yang berderak terdengar. Ini mengungkapkan satu fenomena universal - terjadinya muatan listrik pada batas fase. Permukaan yang bersentuhan kadang-kadang secara spontan, kadang-kadang dengan pengeluaran kerja (kasus elektrifikasi oleh gesekan) memperoleh muatan listrik yang berlawanan. Selain contoh yang jelas, muatan permukaan adalah penyebab arus listrik dalam baterai; pengoperasian termoelemen; muatan pada membran sel saraf memastikan konduksi impuls saraf; muatan pada nanopartikel menstabilkan sistem terdispersi, dll. Nama listrik muncul dari kemampuan amber untuk menggemparkan (dalam bahasa Yunani hlektro - amber.)
Cabang kimia fisika yang mempelajari hubungan antara fenomena kimia dan listrik disebut elektrokimia. Masalah utama elektrokimia adalah terjadinya fenomena listrik dalam reaksi kimia dan terjadinya reaksi kimia jika terkena listrik.
Dua dokter Italia, Luigi Galvani (1737-1798, Bologna) dan Alessandro Volta (1745-1827), dianggap sebagai pendiri elektrokimia. Akar galvano BME memiliki 15 artikel.
Galvanocaustics
Galvanisasi
Galvanotropisme, dll.
Nama sel galvanik berasal dari nama keluarga Galvani.
Sistem elektrokimia adalah sistem heterogen di mana arus listrik muncul karena reaksi spontan (sel galvanik) atau reaksi non-spontan terjadi karena pengeluaran kerja listrik (elektroliser). Tindakan ganda dari sistem dimungkinkan: dalam keadaan bermuatan, ia bertindak sebagai sumber arus, dan dalam proses pengisian, sebagai elektroliser. Perangkat semacam itu disebut baterai. Semua yang penasaran tahu ini.
Reaksi elektrokimia adalah reaksi yang disertai dengan perpindahan muatan melalui batas fasa.
2. Varietas potensial permukaan. Tergantung pada sifat fase kontak, beberapa jenis potensial permukaan dibedakan.
– Potensial kontak terjadi pada antarmuka antara dua logam. Dalam kasus kontak antara seng dan tembaga, seng, yang lebih mudah menyumbangkan elektron, bermuatan positif, dan tembaga bermuatan negatif. Muatan berlebih terkonsentrasi pada antarmuka logam, membentuk lapisan listrik ganda.
Jika bimetal tersebut direndam dalam asam, maka elektron yang mereduksi ion H + meninggalkan permukaan tembaga, dan pada saat yang sama ion seng berpindah dari permukaan logam ke dalam larutan:
– Potensial difusi terjadi pada antarmuka antara dua cairan elektrolit. Ini dapat berupa larutan dari satu zat dengan konsentrasi yang berbeda, atau larutan dari zat yang berbeda, atau larutan dan pelarut. Jelas bahwa batas seperti itu tidak stabil. Difusi ion terjadi, yang mengarah pada munculnya perbedaan potensial. Mari kita asumsikan bahwa sistem terdiri dari larutan kalium klorida dan hidrogen klorida dengan konsentrasi yang sama yaitu 1 mol/l. Terjadi difusi ion K+ ke dalam larutan HCl dan difusi balik ion H+ ke dalam larutan KCl. Difusi ion hidrogen terjadi pada tingkat yang lebih tinggi (arah ditunjukkan oleh panah yang lebih panjang), akibatnya ada kelebihan muatan positif di sisi larutan KCl, dan di sisi larutan asam - negatif . Ada potensi lompatan diff.
– Potensial membran terjadi pada membran yang dicirikan oleh permeabilitas selektif terhadap ion yang sifatnya berbeda. Bayangkan larutan klorida dengan konsentrasi berbeda yang dipisahkan oleh membran yang memungkinkan ion klorida melewatinya, tetapi ion natrium tidak dapat melewatinya. Kemudian sejumlah ion Cl - dari larutan dengan konsentrasi lebih tinggi akan masuk ke larutan dengan konsentrasi lebih rendah. Kelebihan ion Na + yang tersisa menarik ion Cl -, dan menghentikan transfer melalui membran. Lompatan potensial tertentu ditetapkan, sesuai dengan keadaan keseimbangan.
– Potensial elektroda terjadi pada antarmuka antara logam (konduktor jenis 1) – elektrolit (konduktor jenis 2). Potensial elektroda adalah yang paling penting dalam elektrokimia, karena pekerjaan sumber arus kimia didasarkan pada fenomena ini. Suatu sistem yang terdiri dari logam dan elektrolit disebut elektroda. Selanjutnya, kita akan berbicara tentang sejumlah jenis elektroda. Sekarang, sebagai contoh, perhatikan elektroda ion-logam (elektroda jenis pertama) Cu / Cu 2+ . Sepiring logam tembaga direndam dalam larutan garam tembaga, seperti CuSO 4 . Elektroda secara konvensional ditulis sebagai Cu | Cu 2+ , di mana garis vertikal berarti antarmuka antara logam dan elektrolit.
Konsentrasi ion tembaga dalam logam dan, karenanya, potensi kimianya lebih tinggi daripada dalam larutan. Oleh karena itu, sejumlah ion Cu2+ berpindah dari permukaan logam ke dalam elektrolit. Kelebihan elektron tetap pada logam. Ion bermuatan positif tertarik ke permukaan logam dari sisi elektrolit. Ada lapisan listrik ganda (DES). Sebagai hasil dari pergerakan ion dalam larutan, sejumlah ion bergerak menjauh dari permukaan, berada di lapisan difusi. Nilai kesetimbangan dari lompatan potensial pada lapisan listrik ganda ditetapkan. Lompatan potensial j ini disebut potensial elektroda.
Pertimbangkan apa yang menentukan besarnya potensial elektroda. Pemisahan muatan dalam DES berarti biaya kerja listrik, dan transfer partikel materi dalam bentuk ion dari logam ke larutan adalah proses kimia spontan yang mengatasi hambatan listrik. Dalam keadaan setimbang
W el \u003d -W kimia
Mari kita ubah persamaan ini untuk satu mol ion logam Me z+ (dalam contoh kita, ini adalah Cu 2+):
di mana F- Konstanta Faraday 96485,3383 C mol -1 (menurut data terbaru). Dalam istilah fisik, ini adalah muatan 1 mol muatan dasar. Aktivitas ion logam sebuah(Saya z+) dalam hal larutan yang cukup encer dapat diganti dengan konsentrasi dengan(Saya z+). Membagi ekspresi tertulis dengan zF kita memperoleh persamaan untuk menghitung potensial elektroda:
Pada sebuah(Saya z +) = 1; j \u003d j o \u003d DG ° / zF. Kami melakukan substitusi:
Persamaan ini disebut persamaan Nernst. Menurut persamaan ini, potensial elektroda tergantung pada aktivitas (konsentrasi) ion elektrolit sebuah(Saya z+), suhu E dan sifat sistem Me / Me z+ , yang tersirat dalam nilai potensial elektroda standar j o.
Mari kita ambil perbandingan elektroda lain, diperoleh dengan merendam pelat seng dalam larutan seng sulfat, dilambangkan dengan simbol Zn | Zn 2+:
Seng adalah logam yang lebih aktif daripada tembaga. Sejumlah besar ion Zn2+ keluar dari permukaan logam ke dalam elektrolit, dan lebih banyak elektron tetap berada pada logam (ceteris paribus). Akibatnya, ternyata
j o (Zn 2+)< j о (Cu 2+)
Dalam rangkaian aktivitas yang Anda ketahui, logam disusun menurut kenaikan potensial elektroda standar.
3. sel galvanik
Pertimbangkan sistem yang terdiri dari dua elektroda - tembaga dan seng. Elektrolit dihubungkan oleh tabung melengkung yang diisi dengan larutan kalium klorida. Melalui jembatan seperti itu, ion dapat memindahkan ion. Mobilitas ion K + dan Cl - praktis sama, dan dengan demikian potensi difusi diminimalkan. Logam dihubungkan dengan kawat tembaga. Kontak antar logam dapat dibuka jika perlu. Sebuah voltmeter juga dapat ditempatkan di sirkuit. Sistem ini adalah contoh sel galvanik, atau sumber arus kimia. Elektroda pada sel galvani disebut setengah elemen.
Dengan kontak terbuka antara logam, nilai keseimbangan potensial elektroda ditetapkan pada antarmuka logam-elektrolit. Tidak ada proses kimia dalam sistem, tetapi ada perbedaan potensial antara elektroda
\u003d j o (Cu 2+) - j o (Zn 2+)
Dengan kontak tertutup, elektron mulai bergerak dari pelat seng, di mana konsentrasi permukaannya lebih tinggi dan potensial lebih rendah, ke pelat tembaga. Potensial berkurang pada tembaga dan meningkat pada seng. Keseimbangan telah terganggu. Pada permukaan tembaga, elektron bereaksi dengan ion dalam lapisan ganda listrik untuk membentuk atom:
Cu2+ + 2e – = Cu
Potensi pada tembaga mendekati keseimbangan lagi. Di permukaan seng, kekurangan elektron dikompensasi oleh transisi ion ke lapisan ganda listrik, dan darinya ke elektrolit:
Zn = Zn2+ + 2e –
Potensi pada seng mendekati keseimbangan lagi. Proses pada elektroda mempertahankan perbedaan potensial di antara mereka, dan aliran elektron tidak berhenti. Ada arus listrik di sirkuit. Dalam setengah sel tembaga, tembaga diendapkan pada permukaan logam, dan konsentrasi ion Cu 2+ dalam larutan berkurang. Dalam setengah sel seng, massa logam berkurang, dan konsentrasi ion Zn 2+ dalam larutan secara bersamaan meningkat. Sel galvanik bekerja selama konduktor tertutup, dan sampai komponen awal habis - seng logam dan garam tembaga. Menjumlahkan reaksi yang terjadi pada elektroda, kita memperoleh persamaan reaksi total dalam sel galvanik:
Zn + Cu 2+ \u003d Zn 2+ + Cu, r H= -218,7 kJ; r G= -212,6 kJ
Jika reaksi yang sama dilakukan dalam kondisi normal antara seng dan tembaga sulfat, maka semua energi yang dilepaskan dalam bentuk panas sama dengan 218,7 kJ. Reaksi dalam sel galvani menghasilkan kerja listrik sebesar 212,6 kJ, hanya menyisakan 6,1 kJ untuk panas.
Beda potensial antara elektroda dalam sel galvani adalah besaran terukur yang disebut gaya gerak listrik, EMF. Ini adalah nilai positif:
Potensi elektroda dan EMF elemen tidak tergantung pada ukuran sistem, tetapi hanya pada bahan dan kondisi. Oleh karena itu, sumber arus memiliki ukuran yang berbeda tergantung pada tujuannya, yang kita lihat pada baterai yang tersedia secara komersial. Elektroda untuk pengukuran praktis dan ilmiah dapat berukuran mikro, memungkinkannya dimasukkan ke dalam sel untuk mengukur potensial membran.
Sel galvanik yang dipertimbangkan dalam keadaan standar memiliki EMF = 1,1 V.
EMF = |j o (Cu 2+ /Cu) - j o (Zn 2+ /Zn)| = 1,1V
Notasi kondisional berikut dari sirkuit galvanik diterapkan:
|
|
Anoda adalah elektroda tempat terjadinya oksidasi.
Katoda adalah elektroda tempat terjadinya reduksi.
Perbedaan potensial elektroda diukur dengan voltmeter, tetapi potensial elektroda dari masing-masing elektroda tidak dapat ditentukan secara eksperimental. Oleh karena itu, potensi elektroda yang dipilih secara kondisional diambil sebagai nol, dan potensi semua elektroda lainnya dinyatakan relatif terhadapnya. Elektroda hidrogen standar diambil sebagai elektroda nol. Ini terdiri dari pelat platinum dilapisi dengan platinum hitam dan direndam dalam larutan asam, di mana hidrogen dilewatkan di bawah tekanan 101,3 kPa. elektroda ditulis sebagai berikut:
Dengan konvensi, jº(Pt, H 2 | H+)=0V.
Jika elektroda hidrogen dalam sel galvanik yang diteliti ternyata adalah katoda, maka elektroda kedua dalam sel ini adalah anoda, dan potensialnya negatif. Sebaliknya, ketika elektroda hidrogen menjadi anoda, elektroda kedua memiliki potensial positif (katoda). Dalam serangkaian aktivitas logam, hidrogen berada di antara logam dengan potensial standar negatif dan positif. Potensial elektroda standar, dinyatakan relatif terhadap elektroda hidrogen, diberikan dalam tabel. Kita dapat menemukan potensial dari tabel dan menghitung EMF dari sel galvanik tembaga-seng:
j o (Cu 2+ / Cu) = +0,34 V; j o (Zn 2+ / Zn) \u003d -0,76 V; EMF = 0,34 V - (-0,76 V) = 1,1 V.
Sistem kehidupan di semua tingkat organisasi adalah sistem terbuka. Oleh karena itu, pengangkutan zat melalui membran biologis merupakan kondisi yang diperlukan untuk kehidupan. Transfer zat melalui membran dikaitkan dengan proses metabolisme sel, proses bioenergi, pembentukan biopotensi, pembangkitan impuls saraf, dll. Pelanggaran pengangkutan zat melalui biomembran menyebabkan berbagai patologi. Pengobatan sering dikaitkan dengan penetrasi obat melalui membran sel. Efektivitas obat sangat tergantung pada permeabilitas membran untuk itu. Konsep potensial elektrokimia sangat penting untuk menggambarkan pengangkutan zat.
potensial kimia zat yang diberikan saya ke adalah nilai yang secara numerik sama dengan energi Gibbs per mol zat ini. Secara matematis, potensial kimia didefinisikan sebagai turunan parsial dari energi Gibbs, G, terhadap jumlah zat ke-k, pada suhu konstan T, tekanan P, dan jumlah semua zat lain ml (l¹k).
m k = (¶G/¶m k) P , T , m
Untuk larutan encer konsentrasi zat C:
m = m0 + RTlnC
di mana m 0 adalah potensial kimia standar, secara numerik sama dengan potensial kimia suatu zat pada konsentrasinya 1 mol / l dalam larutan.
Potensial elektrokimia m- kuantitas yang secara numerik sama dengan energi Gibbs G per satu mol zat tertentu yang ditempatkan dalam medan listrik.
Untuk larutan encer
m = m o + RTlnC + ZFj (1)
di mana F = 96500 C/mol adalah bilangan Faraday, Z adalah muatan ion elektrolit (dalam satuan dasar muatan), j adalah potensial medan listrik, T [K] adalah suhu.
Pengangkutan zat melintasi membran biologis dapat dibagi menjadi dua jenis utama: pasif dan aktif.
Apa yang akan kami lakukan dengan materi yang diterima:
Jika materi ini ternyata bermanfaat bagi Anda, Anda dapat menyimpannya ke halaman Anda di jejaring sosial:
| menciak |
Semua topik di bagian ini:
Vitebsk
EE "VSU mereka. P. M. Masherova UDC 577 (075) BBC 28.071-73 B 63 Diterbitkan berdasarkan keputusan Dewan Ilmiah dan Metodologi
Biofisika sebagai ilmu. mata kuliah biofisika
Pertanyaan teoritis: 1. Mata pelajaran dan tugas biofisika. Tingkat penelitian biofisik; metode penelitian dan persyaratan untuk mereka. 2. Sejarah
Pokok bahasan masalah biofisika. Sejarah perkembangan biofisika
Biofisika adalah ilmu yang mempelajari proses fisik dan fisika-kimia yang terjadi dalam biosistem pada berbagai tingkat organisasi dan merupakan dasar dari tindakan fisiologis. Kejadiannya adalah
Metodologi Biofisika
Mari kita perkenalkan definisi istilah-istilah berikut: objek penelitian biofisik, sistem biologi, teknik, metode, metodologi. Sistem biologis - seperangkat aturan tertentu yang saling berhubungan
Termodinamika proses biologis
Pertanyaan teoretis: 1. Subjek dan metode termodinamika. Konsep dasar termodinamika. 2. Status parameter (intensif dan ekstensif) Fungsi dengan
I. Teorema Prigogin. Persamaan Onsager
I. Postulat Prigogine adalah bahwa perubahan total entropi dS dari sistem terbuka dapat terjadi secara independen atau karena proses pertukaran dengan lingkungan (deS
Hubungan antara entropi dan informasi. Jumlah informasi biologis, nilainya
Menurut rumus Boltzmann, entropi didefinisikan sebagai logaritma dari jumlah keadaan mikro yang mungkin dalam sistem makroskopik yang diberikan: S = kB ln W
Biomembranologi. Struktur dan sifat membran biologis
Pertanyaan teoritis: 1. Struktur membran sel. 2. Jenis membran biologis. 3. Protein dalam struktur membran sel, strukturnya
Fungsi utama membran biologis
Sistem kehidupan dasar yang mampu hidup, berkembang, dan bereproduksi secara mandiri adalah sel hidup - dasar dari struktur semua hewan dan tumbuhan. Kondisi yang paling penting untuk keberadaan
Struktur membran biologis
Model pertama dari struktur membran biologis diusulkan pada tahun 1902. Telah dicatat bahwa zat yang sangat larut dalam lipid menembus membran paling baik, dan atas dasar ini, dibuat
Transisi fase lipid dalam membran
Suatu zat pada suhu, tekanan, konsentrasi komponen kimia yang berbeda dapat berada dalam keadaan fisik yang berbeda, seperti gas, cair, padat, plasma. kristal
Fisika proses pengangkutan zat melalui membran biologis
Pertanyaan teoritis: 1. Cara penetrasi zat melalui membran sel. 2. Kekuatan pendorong transportasi membran. 3. Jenis transportasi
Transpor pasif zat melintasi membran
Transpor pasif adalah perpindahan suatu zat dari tempat-tempat dengan nilai potensial elektrokimia yang besar ke tempat-tempat dengan nilai yang lebih rendah.
Transpor aktif zat Menggunakan pengalaman
Transpor aktif adalah perpindahan zat dari tempat dengan potensial elektrokimia yang lebih rendah ke tempat dengan nilai yang lebih tinggi. transpor aktif dalam membran
Pompa ion elektrogenik
Menurut konsep modern, ada pompa ion di membran biologis yang beroperasi karena energi bebas hidrolisis ATP - sistem khusus protein integral (
Potensial membran
Salah satu fungsi yang paling penting dari membran biologis adalah generasi dan transfer biopotensial. Fenomena ini mendasari rangsangan sel, pengaturan proses intraseluler, fungsi sistem saraf,
Perambatan impuls saraf di sepanjang serat yang dapat dirangsang
Jika potensial aksi terbentuk di bagian mana pun dari membran yang dapat dirangsang, membran terdepolarisasi, eksitasi menyebar ke bagian lain dari membran. Pertimbangkan propagasi eksitasi
Sifat saluran ion dalam membran sel
Model membran tereksitasi menurut teori Hodgkin-Huxley mengasumsikan transpor ion yang diatur melintasi membran. Namun, transisi langsung ion melalui lapisan ganda lipid sangat sulit. Oleh karena itu dipimpin
Jenis saluran dan pompa yang dikontrol
1) "Gerbang" saluran dihubungkan oleh sistem "tuas" ke dipol, yang dapat berputar
Partisipasi membran dalam transmisi informasi antar sel
Sebuah properti penting dari semua makhluk hidup adalah kemampuan untuk memahami, memproses dan mengirimkan informasi menggunakan membran biologis. Meskipun berbagai macam sistem yang berbeda untuk memperoleh
Protein G dan pembawa pesan kedua
Dari tautan pertama - reseptor (R), sinyal menuju apa yang disebut protein N- atau G-protein membran yang diaktifkan ketika guanosin trifosfat (GTP) terikat. Protein G mampu mengirimkan informasi
Dasar molekuler konduksi impuls saraf di serabut saraf dan sinapsis
Alam telah menciptakan dua cara pensinyalan antar sel yang berbeda secara fundamental. Salah satunya adalah bahwa pesan ditransmisikan melalui arus listrik; yang kedua menggunakan molekul, p
Mekanisme khusus pengangkutan zat melalui biomembran (endo- dan eksositosis)
Protein transpor memungkinkan penetrasi banyak molekul polar kecil melalui membran sel, tetapi mereka tidak mampu mengangkut makromolekul, misalnya protein, polinukleo
Biofisika sebagai ilmu
1. Remizov A.N. Fisika medis dan biologi: buku teks. untuk universitas / A.N. Remizov, A.G. Maksina, A.Ya. potapenko. - M., 2003. - S. 14-17. 2. Biofisika: buku teks. untuk universitas / V. F. Antonov [dan
Biofisika membran. Struktur dan fungsi membran biologis. Dinamika biomembran. Model membran lipid
1. Remizov A.N. Fisika medis dan biologi: buku teks. untuk universitas / A.N. Remizov, A.G. Maksina, A.Ya. potapenko. - M., 2003. - S. 184-190. 2. Rubin A.B. Biofisika proses seluler. M.
Transportasi zat melintasi membran biologis. Potensi Bioelektrik
1. Remizov A.N. Fisika medis dan biologi: buku teks. untuk universitas / A.N. Remizov, A.G. Maksina, A.Ya. potapenko. - M., 2003. - S. 191-213. 2. Biofisika: buku teks. untuk universitas / V.F. Antonov [
Potensi kimia komponen netral adalah fungsi dari suhu, tekanan, dan komposisi kimia dari fase di mana ia berada. Potensi kimia didefinisikan sebagai berikut:
di mana G - energi bebas Gibbs, A - energi bebas Helmholtz, U - energi internal, I - entalpi, S - entropi, V - volume, T - suhu, tekanan. Dalam pengukuran, perbedaan potensial kimia di berbagai keadaan termodinamika selalu ditentukan, dan tidak pernah nilai absolut dari potensial kimia dalam keadaan tertentu. Namun, ketika mentabulasi hasil, akan lebih mudah untuk menetapkan nilai tertentu untuk setiap keadaan termodinamika. Ini dapat dilakukan dengan menetapkan nilai sewenang-wenang pada potensial kimia di beberapa keadaan dan menentukan nilainya di keadaan lain dengan membandingkan dengan keadaan standar yang diberikan.
Misalnya, potensi kimia unsur murni pada dan tekanan satu atmosfer dapat dianggap sama dengan nol. Segera setelah keadaan standar ditetapkan dengan tepat dan nilai-nilai potensial kimia di keadaan lain ditabulasikan, hasil eksperimen menjadi tidak ambigu. Kami akan kembali ke masalah ini lagi ketika membahas data tentang sel elektrokimia.
Potensi elektrokimia ion diperkenalkan oleh Guggenheim, dan perbedaan nilainya dalam dua fase didefinisikan sebagai pekerjaan pada transfer reversibel satu gram ion dari satu fase ke fase lain pada suhu dan volume konstan. Itu tergantung pada suhu, tekanan, komposisi kimia dan keadaan listrik fase. Masih harus dilihat seberapa baik variabel independen ini didefinisikan. Mari kita pertimbangkan kasus-kasus berikut di mana transpor ion mungkin muncul:
1. Temperatur dan tekanan konstan, komposisi kimia fasenya sama. Perbedaan antara fase hanya bisa bersifat listrik.
a) Untuk perpindahan satu gram ion komponen i dari fase ke fase a, kerja transfer sama dengan
dimana perbedaan antara dua fase dapat dicirikan oleh perbedaan potensial listrik dari kedua fase (hubungan kedua).
b) Untuk transfer ion komponen 1 gram dan ion komponen 2 gram, asalkan
usaha yang dilakukan adalah nol. Kombinasi ion yang netral secara elektris tersebut tidak bergantung pada keadaan listrik fase, dan fakta ini dapat digunakan untuk memverifikasi definisi perbedaan potensial di atas. Karena untuk kombinasi netral, kerja transfer total akan sama dengan nol, sehingga persamaan (13-3) terpenuhi, kita memperoleh
Jika kita menerapkan persamaan (13-2) pada komponen ionik 1, maka kita dapat menggabungkan persamaan (13-2) - (13-4) dan menyatakan perbedaannya
potensial elektrokimia komponen ionik 2 dalam bentuk
Oleh karena itu, beda potensial listrik yang didefinisikan oleh persamaan (13-2) tidak bergantung pada yang mana dari dua komponen bermuatan (1 atau 2) yang digunakan dalam persamaan (13-2). Dalam pengertian ini, perbedaan potensial listrik didefinisikan dengan benar dan bertepatan dengan gagasan biasa tentang perbedaan potensial.
2. Temperatur dan tekanan konstan, komposisi kimia kedua fase berbeda. Saat mentransfer kombinasi netral ion yang memenuhi kesetaraan (13-3), tidak ada ketergantungan pada keadaan listrik fase mana pun. Dengan demikian, kerja transfer hanya akan bergantung pada perbedaan komposisi kimia. Kerja perpindahan komponen bermuatan akan tetap diberikan oleh persamaan
tetapi tidak dapat lagi dinyatakan hanya dalam perbedaan potensial listrik, karena lingkungan kimia dari komponen yang ditransfer akan berbeda di kedua fase.
Perlu dicatat bahwa karakteristik kuantitatif atau ukuran perbedaan keadaan listrik dua fase dengan komposisi kimia yang berbeda belum ditetapkan. Adalah mungkin (dan bahkan masuk akal untuk beberapa tujuan komputasi) untuk mendefinisikan variabel listrik seperti itu, tetapi ini pasti terkait dengan elemen kesewenang-wenangan dan tidak penting untuk pertimbangan fenomena termodinamika. Beberapa cara yang berbeda dari definisi tersebut dibahas dalam Bab. 3. Definisi potensial listrik yang biasa didasarkan pada elektrostatika daripada termodinamika, sehingga penggunaan potensial elektrokimia lebih tepat di sini.
Yang menarik adalah pertanyaan tentang keadaan fase, serta apakah kedua fase berada dalam keadaan yang sama. Jika dua fase memiliki komposisi yang berbeda, maka pertanyaan apakah mereka berada dalam keadaan listrik yang sama tidak relevan dari sudut pandang termodinamika. Di sisi lain, jika kedua fase identik secara kimia, maka akan lebih mudah untuk menggambarkan keadaan listriknya secara kuantitatif dengan cara yang bertepatan dengan definisi potensial yang biasa.
Proses elektroda. Konsep lompatan potensial dan gaya gerak listrik (EMF). Sirkuit elektrokimia, elemen galvanik. Elektroda hidrogen standar, potensial elektroda standar. Klasifikasi sirkuit elektrokimia dan elektroda.
KULIAH 9
Transformasi timbal balik bentuk energi listrik dan kimia terjadi dalam sistem elektrokimia, termasuk:
konduktor jenis kedua - zat dengan konduktivitas ionik (elektrolit).
konduktor jenis pertama - zat dengan konduktivitas elektronik.
Pada antarmuka antara dua fase, muatan listrik ditransfer, mis. ada lompatan potensial ().
Suatu sistem yang terdiri dari penghantar kontak jenis pertama dan kedua disebut elektroda.
Proses yang terjadi pada batas fasa penghantar jenis I dan II pada elektroda disebutproses elektroda .
Elektroda adalah sistem yang terdiri dari setidaknya dua fase.
Mari kita perhatikan bagaimana lompatan potensial terjadi - potensial elektroda - pada antarmuka antara logam dan larutan garam dari logam ini. Ketika pelat logam direndam dalam larutan garam, sebagian ion logam dari permukaan pelat dapat masuk ke larutan yang berdekatan dengan permukaan pelat. Logam bermuatan negatif, dan gaya elektrostatik yang muncul mencegah aliran lebih lanjut dari proses ini. Sistem dalam keadaan setimbang. Proses kebalikan dari transisi kation logam dari larutan ke pelat juga dimungkinkan. Proses ini menyebabkan munculnya lapisan listrik ganda dan lompatan potensial.
Arah proses perpindahan ion logam ditentukan oleh rasio potensial elektrokimia ion () dalam fase larutan dan fase terkondensasi. Proses berlanjut sampai potensial elektrokimia dalam dua fase disamakan.
Potensial elektrokimia terdiri dari dua istilah:
m kimia. - potensi kimia yang mencirikan respons kimia terhadap perubahan lingkungan partikel tertentu.
m el - komponen listrik dari potensi elektrokimia atau energi potensial medan listrik, yang mencirikan respons terhadap medan listrik.
Untuk jenis partikel bermuatan tertentu (i)
z saya adalah muatan ion,
– potensi internal, sesuai dengan kerja transfer muatan negatif dasar dari tak terhingga dalam ruang hampa jauh ke dalam fase.
Kesetimbangan sistem elektrokimia dicirikan oleh persamaan potensial elektrokimia (bukan kimia) dari partikel bermuatan dalam fase yang berbeda.
Dalam larutan sistem kesetimbangan (I) / logam (II), kita memiliki:
Dalam sistem non-kesetimbangan, pekerjaan transfer satu mol-setara. ion dari fase I ke fase II adalah
Dari dulu
Dalam kesetimbangan, dengan mempertimbangkan (1), kami memiliki:
di mana lompatan pada antarmuka (potensial elektroda absolut). Menunjukkan
di mana adalah lompatan potensial pada batas fase di aku = 1 (potensial elektroda standar).
Potensi standar adalah karakteristik nilai dari proses elektroda yang diberikan. Itu tergantung pada suhu dan sifat elektroda. Maka untuk elektroda tipe Me Z+ /Me:
Lonjakan potensial juga terjadi pada antarmuka antara dua solusi, ini adalah potensi difusi.
Secara umum (untuk semua jenis elektroda):
atau untuk 298K
Harus diingat bahwa jika gas terlibat dalam reaksi elektroda, maka aktivitasnya dianggap sama dengan tekanan parsial; untuk fase kental dengan komposisi konstan, sebuah=1.
Persamaan (1), (2) disebut persamaan Nernst untuk potensial elektroda. Beda potensial listrik hanya dapat diukur secara eksperimental antara dua titik yang fasenya sama di mana saya = konstan. Ketika muatan dasar bergerak di antara dua titik yang berada dalam fase yang berbeda, selain titik listrik, pekerjaan harus dilakukan terkait dengan perubahan lingkungan kimia muatan. Besarnya kerja komponen kimia ini tidak dapat ditentukan, sehingga nilai absolut potensial elektroda tidak dapat diukur. Secara empiris, hanya mungkin untuk menentukan besarnya EMF dari sel galvanik yang terdiri dari dua elektroda.
Aturan untuk merekam elektroda dan sirkuit elektrokimia.
Sistem yang terdiri dari dua atau lebih elektroda, dihubungkan dengan cara khusus dan mampu menghasilkan kerja listrik, yaitu berfungsi sebagai sumber energi listrik, disebut sel galvanik.
Gaya gerak listrik sel galvanik(EMF GE) adalah jumlah lompatan potensial elektroda pada semua batas fasa dalam kondisi setimbang (arus dalam rangkaian eksternal adalah nol).
a) Aturan pencatatan berikut diterima untuk elektroda: zat dalam larutan ditunjukkan di sebelah kiri batang vertikal, zat yang membentuk fase lain (gas atau padat) ditunjukkan di sebelah kanan.
Jika satu fase mengandung beberapa zat, maka simbolnya dipisahkan dengan koma.
Sebagai contoh,
Persamaan reaksi elektroda untuk elektroda terpisah ditulis sedemikian rupa sehingga zat dalam bentuk teroksidasi dan elektron terletak di sebelah kiri, dan zat dalam bentuk tereduksi di sebelah kanan:
b) Saat merekam sel galvanik, elektroda dengan potensi lebih negatif terletak di sebelah kiri; larutan kedua elektroda dipisahkan satu sama lain oleh garis putus-putus vertikal jika mereka bersentuhan satu sama lain, dan oleh dua garis padat jika ada jembatan garam antara larutan, misalnya larutan KCl jenuh, yang dengannya larutan potensial difusi dihilangkan. Dengan demikian, elektroda bermuatan positif selalu ditunjukkan di sebelah kanan, dan elektroda bermuatan negatif selalu ditunjukkan di sebelah kiri.
Elektroda , di mana ia mengalir proses oksidasi, disebut anoda ().
Elektroda yang mengalir proses pemulihan, disebut katoda ().
Reaksi di katoda dan anoda disebut reaksi elektroda.
Proses kimia total yang terjadi dalam sel galvani terdiri dari proses elektroda dan dinyatakan dengan persamaan:
Jika proses elektroda dan reaksi kimia dalam sel galvanik dapat dilakukan ke depan (selama operasi sel) dan sebaliknya (ketika arus listrik melewati sel) arah, maka elektroda dan sel galvanik tersebut disebut reversibel.
Berikut ini, hanya elektroda reversibel dan sel galvanik yang akan dipertimbangkan.
Mari kita perhatikan lebih detail mekanisme terjadinya potensial galvanik menggunakan contoh elektroda hidrogen. Elektroda hidrogen termasuk elektroda jenis pertama. Elektroda hidrogen adalah platina terplatinisasi yang direndam dalam larutan asam, misalnya, HC1, dan ditiup dengan aliran gas hidrogen. Reaksi terjadi pada elektroda
di mana H+ q menunjukkan proton terlarut dalam larutan air (yaitu ion hidronium H e O +), dan e(Pt) adalah elektron yang tersisa di platinum. Pada elektroda seperti itu, molekul hidrogen berdisosiasi untuk membentuk ion hidronium dalam larutan dan elektron konduksi dalam platinum. Dalam hal ini, logam platina bermuatan negatif, dan larutannya bermuatan positif. Akibatnya, ada perbedaan potensial listrik antara platina dan larutan. Muncul lapisan ganda, terdiri dari muatan negatif dan positif, menyerupai kapasitor listrik datar. Elektroda hidrogen adalah reversibel terhadap kation.
Ketika mempertimbangkan kesetimbangan untuk reaksi disosiasi yang diberikan, perlu diperhitungkan bahwa kation H + yang dihasilkan, meninggalkan platinum, bekerja melawan gaya listrik. Pekerjaan ini dilakukan karena energi termal larutan. Ini sama dengan energi listrik yang tersimpan. Oleh karena itu, potensial kimia proton dalam air, p(H ^ q), tidak akan sama dengan jumlah sederhana p°(Hgq) + R71ntf(Hg q), karena larutan memiliki potensial listrik yang berbeda dari platinum. Dengan mempertimbangkan kerja melawan gaya-gaya medan listrik dalam proses transfer proton, untuk p(H * a) kita peroleh
di mana cp(Pt) adalah potensial listrik dari elektroda platina; (p) - potensial listrik larutan; d(HM - aktivitas kation hidrogen dalam larutan; F- nomor faraday (F = 96485 C/mol); nilai cf (R)- f (P0 adalah potensial galvanik pada antarmuka platina - larutan D^f. Bilangan Faraday muncul karena potensial kimia biasanya dihitung per mol, dan bukan per elektron. Bekerja melawan gaya medan listrik P [f (/ >) - - f(P0] dilakukan karena energi termal larutan. Pekerjaan inilah yang memastikan pengisian elektroda, pelepasannya, ketika sirkuit eksternal ditutup, disertai dengan produksi listrik energi.
Besaran bertipe p(H + q) disebut potensial elektrokimia. Menyamakan dalam kesetimbangan potensial kimia untuk zat di bagian kiri dan kanan reaksi (16.1), kita memperoleh
dimana p)
