INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Výukové materiály ZŠ Kaplice, Školní 226

• Elektrochemie
• Redoxní reakce
• Redoxní vlastnosti kovů
• Získávání kovů z rud
• Elektrolýza
• Galvanický článek
• Koroze

Elektrochemie

- část fyzikální chemie zabývající se rovnováhami a procesy v taveninách a roztocích elektrolytů při průchodu a vzniku elektrického proudu.

Redoxní reakce

Př. Hoření hořčíku

obr. Animovaná chemie - CD


2Mg⁰  +  O₂⁰ --->  2 Mg^II O^-II

Redoxní reakce jsou reakce, při nichž se mění oxidační čísla.
Redoxní reakce je reakce spojená s přijímáním a odevzdáváním elektronů mezi reaktanty.
Každá redoxní reakce se skládá ze 2 poloreakcí: redukce a oxidace. Probíhají současně.
Každá změna ox. čísla souvisí s přesunem elektronů.


Redukce je děj, při kterém se oxidační číslo atomu prvku zmenšuje. Atom (částice) přijímá elektrony.
O₂⁰  --->  2O^-II

O ⁰  +  2e  ---> O^-II

2O⁰  +  4e  ---> 2O^-II

Oxidace je děj, při kterém se oxidační číslo atomu prvku zvětšuje. Atom (částice) ztrácí (odevzdává) elektrony.

Mg ⁰ ---> Mg^II

Mg ⁰ -  2e  ---> Mg²⁺

2Mg ⁰  -  4e ---> 2Mg²⁺

Redukční činidlo
Redukční činidlo je látka obsahující atomy, které se při reakci oxidují (oxidační číslo těchto atomů se zvětšuje). Redukční činidlo způsobuje redukci jiných látek.
Ve zde uvedeném případě je redukčním činidlem hořčík Mg.

Oxidační činidlo
Oxidační činidlo je látka obsahující atomy, které se při reakci redukují (oxidační číslo těchto atomů se zmenšuje). Oxidační činidlo způsobuje oxidaci jiných látek.
Ve zde uvedeném případě je oxidačním činidlem kyslík O₂
nahoru

Význam a příklady redoxních reakcí:

1. Základní životní děje (fotosyntéza, dýchaní)



obr. Animovaná chemie - CD

2. Elektrolýza je redoxní reakce probíhající na elektrodách při průchodu stejnosměrného el. proudu taveninou nebo elektrolytem.

obr. Animovaná chemie - CD

3. Redoxní reakce probíhají v galvanických článcích, které jsou zdrojem elektrické energie (např. suchý článek, olověný akumulátor).

obr. Animovaná chemie - CD


4. Koroze - redoxní reakce probíhají také při korozi kovů.


obr. Animovaná chemie - CD

5. Při výrobě kovů - redukce jejich oxidů
Např. redukce oxidu železa ve vysoké peci.

obr. Animovaná chemie - CD

nahoru

Redoxní vlastnosti kovů a nekovů

1. Vytěsňování kovů z roztoků jejich solí



obr. Základy chemie 2, Fortuna

CuSO₄   +  Zn  ---> Cu  +  ZnSO₄
ZnSO₄   +  Cu neprobíhá
2Ag NO₃  +  Zn  ---> 2Ag  +  Zn( NO₃)₂
2Ag NO₃   +  Cu --->  2Ag  +  Cu( NO₃)₂

Závěr: Schopnost vytěsňovat jiné kovy z roztoků klesá v řadě: Zn › Cu › Ag


2. Vytěsňování vodíku z kyseliny sírové
H₂SO₄   +  Cu neprobíhá
H₂SO₄   +  Fe  --->  H₂  +  FeSO₄
H₂SO₄  +  Zn  ---> H₂  +  ZnSO₄
H₂SO₄  +  Mg  --->  H₂   +  MgSO₄
Nejbouřlivěji reaguje s roztokem kyseliny hořčík, méně zinek, ještě méně železo.

Závěr: Podle reaktivity uspořádáme kovy: Mg › Zn › Fe ›› Cu


Řada reaktivity kovů (a vodíku)

Nejreaktivnější jsou kovy vlevo. Reaktivita klesá postupně zleva doprava:


obr. Základy chemie 2, Fortuna



Kovy zařazené vpravo od mědi se mohou v přírodě vyskytovat jako prvky a označují se jako ušlechtilé kovy. Ostatní kovy se v přírodě vyskytují ve sloučeninách.

Z postavení kovů v řadě reaktivity se dá odvodit, že:

• daný kov je schopen vytěsnit (vyredukovat) z roztoku všechny kovy umístěné v řadě reaktivity vpravo od něj (popřípadě i vodík);
• kov může být z roztoku své soli vytěsněn kterýmkoliv kovem umístěným v řadě reaktivity od něj nalevo.

nahoru

Získávání kovů z rud

Rudy  ---> sloučeniny (oxidy kovů)  --->  kov

Přiklady rud:

Sfalerit (ZnS)
Galenit (PbS)
Pyrit (FeS₂)
Malachit (CuCO₃)

Př. Příprava Pb

1) úprava PbS:     2PbS  +  3O₂  --->  2PbO   +  2SO₂
2) redukce PbO uhlíkem:     2PbO   +  C  --->  CO₂   +   2Pb

Výroba surového železa

Vsázka (suroviny) do vysoké pece:

železná ruda: magnetit (Fe₃O₄), hematit (Fe₂O₃), limonit (Fe₂O₃ . n H₂O), siderit (FeCO₃)
koks - zdroj tepla a uhlíku, který redukuje železo
vápenec CaCO₃ - struskotvorná přísada, chrání tekuté železo před oxidací

obr. Animovaná chemie - CD


obr. Animovaná chemie - CD

Složení a vlastnosti:

Surové železo obsahuje asi 4% uhlíku a další prvky (křemík, fosfor, síra a příměsi kovů)
má velkou tvrdost, je křehké, není pružné ani kujné

Použití: topná tělesa, části strojů, potrubí, kuchyňské nádobí, výroba oceli

nahoru

Výroba oceli

obr. Animovaná chemie - CD

Výroba oceli spočívá ve snížení obsahu uhlíku (pod 1,7%), dále ve snížení obsahu Si, Mn, P oxidací vzdušným kyslíkem (tzv. zkujňování - spalování vzdušným kyslíkem)
Surovina: surové železo
Způsoby výroby oceli:

a) v konvertorech
b) v nístějových pecích
c) v elektrických pecích

Vlastnosti: měkčí než surové železo, kujná
Použití: nástroje, stroje, různé konstrukce

nahoru

Elektrolýza

Elektrolýza - je redoxní děj probíhající na elektrodách při průchodu stejnosměrného elektrického proudu elektrolytem (roztok nebo tavenina obsahujicí volné pohyblivé ionty).

Průmyslově využití elektrolýzy:
a)Výroba kovů - Na, Al   nekovů - Cl₂, H₂   sloučenin - NaOH

Př. Elektrolýza taveniny NaCl
NaCl  --->  Na⁺ + Cl^-
anoda (+)
Cl ^- - 1e ---> Cl    oxidace
Cl + Cl  --->  Cl₂
katoda (-)
Na⁺ +1e  --->  Na     redukce

Celková reakce při elektrolýze taveniny NaCl:
2NaCl  --->  2Na + Cl₂


obr. Animovaná chemie - CD

Př. Elektrolýza vodného roztoku NaCl
NaCl + H₂O  --->  Na⁺ + Cl^- + H⁺ + OH^-
anoda (+)
Cl^- -1e  --->  Cl   oxidace
Cl + Cl  --->  Cl₂
katoda (-)
H⁺ +1e  --->  H   redukce
H + H  --->  H₂
V elektrolyzéru:
Na⁺ + OH^-  --->  NaOH

Celková reakce při elektrolýze vodného roztoku NaCl:
2 NaCl + 2 H₂O  --->  2 NaOH + H₂ + Cl₂

b) Elektrolytické čištění kovů


obr. Základy chemie 2, Fortuna

Podobně jako měď lze elektrolyticky čistit i další kovy např. Fe, Zn, Ag, Au.

c) Galvanické pokovování - zvýšení odolnosti a zlepšení vzhledu povrchu


obr. Základy chemie 2, Fortuna

Pravidla galvanického pokovování

Pokovujeme-li předmět kovem X, použijeme:

předmět jako katodu
proužek kovu X jako anodu
roztok soli kovu X jako elektrolyt

nahoru

Galvanický článek

obr. Základy chemie 2, Fortuna


Galvanický článek je zdroj stejnosměrného elektrického proudu, který se uvolňuje při redoxních reakcích.
Skládá se ze dvou elektrod a elektrolytu (látky schopné přenášet elektrický proud). Jedna z elektrod se oxiduje, druhá redukuje. Uvolněné elektrony odvádíme do spotřebiče, kde konají práci.
Napětí galvanického článku závisí na druhu elektrod a elektrolytu.

Galvanické články se děli na:

a)neobnovitelné  b)obnovitelné

a)Neobnovitelné
Př. Voltův článek
elektrody: Zn, Cu
elektrolyt: H₂SO₄
reakce:
anoda (-) oxidace Zn   -  2e  --->  Zn²⁺
katoda (+) redukce Cu²⁺   + 2e  --->  Cu


obr. Animovaná chemie - CD

Př. Danielův článek (mokrý článek)
Součásti článku:

Zn + ZnSO₄
Cu + CuSO₄
vodivá trubice s KNO₃
voltmetr

Reakce:

oxidace  Zn - 2e --->  Zn²⁺
redukce   Cu²⁺   +  2e  --->  Cu
Cu²⁺   + Zn  --->  Cu  + Zn²⁺

obr. Základy chemie 2, Fortuna

Př. Suchý článek (baterie)

Záporný pol:    Zn
Kladný pol:    Uhlíková tyčinka + MnO₂ (prášek)
elektrolyt:   NH₄Cl + ZnCl₂

b) Obnovitelné  (akumulátory - po vybití se dají znovu nabít)
Elektroaktivní látka se vytváří při jejich nabíjení - probíhá elektrolýza

Př. Olověný akumulátor
Elektrolyt - kyselina sírová
Elektrody  - desky upevněné na inertním nosiči (upravené do tvaru mřížky)

Pb
Pb + PbO₂

obr. Animovaná chemie - CD

Reakce:
vybíjení (chemická energie se mění na elektrickou energii)
Pb   +  PbO₂ + 2H₂SO₄  --->  2 PbSO₄   +   2 H₂O
nabíjení - reakce probíhá obráceně
Účinnost: 75-80%, (NiFe 55%)
Použití: v motorových vozidlech jako zdroj pro zapalování, osvětlení, servomotory a startér.

nahoru

Koroze - nepřítel kovů

Koroze kovů je redoxní reakce, která probíhá působením vzdušného kyslíku, vody a dalších látek (soli, kyseliny...). Agresivita prostředí (střídání teplot, intenzita slunečního záření atd.) ovlivňuje také průběh koroze.

Koroze může být:

povrchová (př. měď, hliník)- kompaktní vrstvička oxidů nebo jiných sloučenin zamezí další korozi a chrání povrch kovu
celková (př. železo)- vrstvička oxidu není kompaktní, nechrání kov, koroze napadá celý objem

Železo

Rez, která vzniká při korozi železa je směs jeho oxidů a hydroxidů.


obr. Animovaná chemie - CD


Vznik hydroxidu:
4Fe  +  3O₂  +  6H₂O  ---> 4Fe(OH)₃
Koroze železa na rozdíl od jiných kovů má destrukční účinky - postupně zničí kov v celém jeho objemu.

Měď
- koroze probíhá pouze na povrchu, měď se potáhne vrstvou hydratovaných oxidů zelené barvy, které měď chrání před další korozí.

Hliník, Zinek, Olovo, Cín,...
- tyto kovy podléhají pouze povrchové korozi za vzniku oxidů, které kov chrání před další korozí.

Ochrana proti korozi

a) mazání, olejování
- součástí strojů, automobilů apod.

b) nátěry, antikorozní nátěry
- laky nebo barvy - na povrchy konstrukcí apod.

c) smaltování
- povrch se pokrývá speciální látkou, která se vypálením zpevní a vytváří antikorozní vrstvu - nádobí

d) pokovování
- povrch oceli se pokryje vrstvou jiného kovu, který nepodléhá korozi (např. chrom) nebo který se pasivuje (např. zinek, nikl apod.). Zvláštním druhem je žárové stříkání kovů - tvz. METALIZOVÁNÍ

e) obětní elektroda
- část ocelové konstrukce, která nemůže být jinak chráněna, se vodivě spojí s elektrodou reaktivnějšího kovu (většinou zinkovou), která je postupně rozrušována namísto oceli. Elektroda se musí po čase vyměňovat.