17.2 Rafefnafrumur

Til að sýna fram á sjálfgenga efnabreytingu sýnir Mynd 17.2 niðurstöðuna af því að dýfa vafningi úr koparvír í vatnslausn af silfurnítrati. Smám saman en sjónrænt áhrifamikil breyting verður sjálfkrafa þegar upphaflega litlausa lausnin verður sífellt blárri og upphaflega slétti koparvírinn þekist gljúpu, gráu föstu efni.

This figure includes three photographs. In the first, a test tube containing a clear, colorless liquid is shown with a loosely coiled copper wire outside the test tube to its right. In the second, the wire has been submerged in the clear colorless liquid in the test tube and the surface of the wire is darkened. In the third, the liquid in the test tube is bright blue-green, the wire in the solution appears dark near the top, and a gray “fuzzy” material is present at the bottom of the test tube on the lower portion of the copper coil, giving a murky appearance to the liquid near the bottom of the test tube. — Mynd 17.2 Koparvír og vatnslausn af silfurnítrati (til vinstri) eru sett saman (í miðju) og sjálfgengur flutningur rafeinda á sér stað, sem myndar bláar Cu²⁺(aq) og grátt Ag(s) (til hægri).

Þessar athuganir eru í samræmi við (i) oxun frumefnisins kopars sem gefur af sér kopar(II)-jónir, Cu²⁺(aq), sem gefa lausninni bláan lit, og (ii) afoxun silfur(I)-jóna sem gefur af sér frumefnið silfur, sem sest sem dúnkennt fast efni á yfirborð koparvírsins. Þannig er beinn flutningur rafeinda frá koparvírnum yfir á silfurjónirnar í vatnslausninni sjálfgengur við þessar aðstæður. Samantekt á þessu oxunar-afoxunarkerfi er gefin með þessum jöfnum:

\begin{matrix} overall hvarf: & Cu (s) + 2 {Ag}^{+} (a q) ⟶ {Cu}^{2}^{+} (a q) + 2 Ag (s) \\ oxidation half-hvarf: & Cu (s) ⟶ {Cu}^{2+} (a q) + 2 e^{−} \\ reduction half-hvarf: & 2 {Ag}^{+} (a q) + 2 e^{−} ⟶ 2 Ag (s) \end{matrix}

Hugleiddu smíði tækis sem inniheldur öll hvarfefni og myndefni oxunar-afoxunarkerfis eins og þess sem hér er um að ræða, en kemur í veg fyrir beina snertingu milli hvarfefnanna. Beinn flutningur rafeinda er því hindraður; flutningurinn fer þess í stað fram óbeint í gegnum ytri rafrás sem tengist aðskildu hvarfefnunum. Tæki af þessu tagi eru almennt kölluð rafefnafrumur og þær þar sem sjálfgengt oxunar-afoxunarefnahvarf á sér stað eru kallaðar rafefnafrumur (e. galvanic cells) (eða voltafrumur (e. voltaic cells)).

Rafefnafruma sem byggir á sjálfgenga efnahvarfinu milli kopars og silfurs(I) er sýnd á Mynd 17.3. Fruman samanstendur af tveimur hálfkerum (e. half-cells), þar sem hvort um sig inniheldur oxunar-afoxunar-samokaparið („parið“) eins hvarfefnis. Hálfkerið sem sýnt er til vinstri inniheldur Cu(0)/Cu(II)-parið í formi fastrar koparþynnu og vatnslausnar af koparnítrati. Hægra hálfkerið inniheldur Ag(I)/Ag(0)-parið sem fasta silfurþynnu og vatnslausn af silfurnítrati. Ytri rafrás er tengd við hvort hálfker við fasta þynnu þess, sem þýðir að Cu- og Ag-þynnurnar virka hvor um sig sem raftroð. Samkvæmt skilgreiningu er anóða (e. anode) rafefnafrumu það raftroð þar sem oxun á sér stað (í þessu tilfelli Cu-þynnan) og katóðan (e. cathode) er það raftroð þar sem afoxun á sér stað (Ag-þynnan). Oxunar-afoxunarefnahvörfin í rafefnafrumu eiga sér aðeins stað á skilfleti milli efnablöndu hvers hálfkers og raftroðs þess. Til að halda hvarfefnunum aðskildum en viðhalda hleðslujafnvægi eru lausnir hálfkeranna tveggja tengdar með röri sem fyllt er með óvirkri rafkleyfislausn sem kallast saltbrú (e. salt bridge). Sjálfgenga efnahvarfið í þessari frumu framleiðir Cu²⁺ katjónir í anóðuhálfkerinu og eyðir Ag⁺ jónum í katóðuhálfkerinu, sem leiðir til jöfnunarflæðis óvirkra jóna úr saltbrúnni sem viðheldur hleðslujafnvægi. Vaxandi styrkur Cu²⁺ í anóðuhálfkerinu er jafnaður með innflæði NO₃⁻ úr saltbrúnni, á meðan flæði Na⁺ inn í katóðuhálfkerið bætir upp fyrir minnkandi styrk Ag⁺.

Mynd 17.3 Rafefnafruma sem byggir á sjálfgenga efnahvarfinu milli kopar- og silfur(I)-jóna.

Frumuritatákn

Algengt er að nota stytt táknmál til að tákna rafefnafrumu með því að gefa nauðsynlegar upplýsingar um samsetningu hennar og byggingu. Þessar táknrænu framsetningar eru kallaðar frumuritatákn (e. cell notations) eða frumuskýringarmyndir (e. cell schematics) og eru skrifaðar samkvæmt nokkrum leiðbeiningum:

Viðeigandi íhlutir hvers hálfkers eru táknaðir með efnaformúlum þeirra eða táknum frumefna
Allir skilfletir milli fasa íhluta eru táknaðir með lóðréttum samsíða línum; ef tveir eða fleiri íhlutir eru til staðar í sama fasa eru formúlur þeirra aðskildar með kommum
Samkvæmt venju byrjar skýringarmyndin á anóðunni og heldur áfram frá vinstri til hægri og auðkennir fasa og skilfleti sem koma fyrir innan frumunnar og endar á katóðunni

Munnleg lýsing á frumunni séð frá anóðu til katóðu er oft gagnlegt fyrsta skref í að skrifa skýringarmynd hennar. Til dæmis samanstendur rafefnafruman sem sýnd er á Mynd 17.3 af fastri koparanóðu sem dýft er í vatnslausn af kopar(II)-nítrati sem er tengd með saltbrú við vatnslausn af silfur(I)-nítrati, og í henni er föst silfurkatóða. Að breyta þessari fullyrðingu í táknmál samkvæmt ofangreindum leiðbeiningum gefur frumuritatáknið:

Cu (s) │ 1 M {Cu (NO}_{3})_{2} (a q) ║ 1 M {AgNO}_{3} (a q) │ Ag (s)

Hugleiddu aðra rafefnafrumu (sjá Mynd 17.4) sem byggir á sjálfgenga efnahvarfinu milli fasts magnesíums og járn(III)-jóna í vatnslausn:

\begin{matrix} net cell hvarf: & Mg (s) + {2Fe}^{3+} (a q) ⟶ {Mg}^{2+} (a q) + 2 {Fe}^{2+} (a q) \\ oxidation half-hvarf: & Mg (s) ⟶ {Mg}^{2+} (a q) + 2 e^{−} \\ reduction half-hvarf: & {2Fe}^{3+} (a q) + {2e}^{−} ⟶ 2 {Fe}^{2+} (a q) \end{matrix}

Í þessari frumu er fastri magnesíumanóðu dýft í vatnslausn af magnesíumklóríði sem er tengd með saltbrú við vatnslausn sem inniheldur efnablöndu af járn(III)-klóríði og járn(II)-klóríði, og í henni er platínukatóða. Frumuritatáknið er þá skrifað sem

Mg (s) │ 0,1 M {MgCl}_{2} (a q) ║ 0,2 M {FeCl}_{3} (a q), 0,3 M {FeCl}_{2} (a q) │ Pt (s)

Takið eftir að katóðu-hálfkerið er frábrugðið þeim sem við höfum skoðað hingað til að því leyti að raftroð þess er úr efni (Pt) sem er hvorki hvarfefni né myndefni í efnahvarfi kerfisins. Þetta er nauðsynlegt þegar hvorugur meðlimur oxunar-afoxunarpars hálfkersins getur með góðu móti virkað sem raftroð, sem verður að vera rafleiðandi og í öðrum fasa en lausn hálfkersins. Í þessu tilfelli eru báðir meðlimir oxunar-afoxunarparsins leyst efni og því er Pt notað sem óvirkt raftroð (e. inert electrode) sem getur einfaldlega gefið eða tekið við rafeindum frá oxunar-afoxunartegundum í lausninni. Raftroð sem eru smíðuð úr meðlim oxunar-afoxunarparsins, eins og Mg-anóðan í þessu kerfi, eru kölluð virk raftroð (e. active electrodes).

Mynd 17.4 Rafefnafræðilegt kerfi byggt á sjálfgengu efnahvarfi milli magnesíums og járn(III)-jóna.

Dæmi 17.3

Skrifa skýringarmyndir rafefnafræðilegra kerfa

Rafefnafræðilegt kerfi er smíðað með því að tengja saman tvö hálfker með saltbrú, annað þar sem krómvír er dýft í 1 M CrCl₃ lausn og hitt þar sem koparvír er dýft í 1 M CuCl₂. Gerum ráð fyrir að krómvírinn virki sem anóða og skrifum skýringarmynd fyrir þetta kerfi ásamt jöfnum fyrir hálfhvarf anóðunnar, hálfhvarf katóðunnar og heildarhvarf kerfisins.

Lausn

Þar sem kveðið er á um að krómvírinn sé anóðan, byrjar skýringarmyndin á honum og heldur áfram frá vinstri til hægri, táknandi aðra hluta kerfisins þar til endað er á koparvírnum sem er katóðan:

Cr (s) │ 1 M {CrCl}_{3} (a q) ║ 1 M {CuCl}_{2} (a q) │ Cu (s)

Hálfhvörfin fyrir þetta kerfi eru

\begin{matrix} anode (oxidation): & Cr (s) ⟶ {Cr}^{3+} (a q) + 3 e^{−} \\ cathode (reduction): & {Cu}^{2+} (a q) + 2 e^{−} ⟶ Cu (s) \end{matrix}

Með því að margfalda til að jafna fjölda rafeinda sem Cr tapar og Cu²⁺ fær, fæst

\begin{matrix} anode (oxidation): & 2 Cr (s) ⟶ 2 {Cr}^{3+} (a q) + 6 e^{−} \\ cathode (reduction): & 3 {Cu}^{2+} (a q) + 6 e^{−} ⟶ 3 Cu (s) \end{matrix}

Með því að leggja saman hálfhvarfsjöfnurnar og einfalda fæst jafna fyrir heildarhvarf kerfisins:

2 Cr (s) + 3 {Cu}^{2+} (a q) ⟶ 2 {Cr}^{3+} (a q) + 3 Cu (s)

Kannaðu þekkingu þína

Slepptu styrk leystra efna og auðkenni áhorfendajóna og skrifaðu skýringarmynd fyrir rafefnafræðilegt kerfi þar sem nettóhvarf kerfisins er sýnt hér að neðan.

{Sn}^{4+} (a q) + Zn (s) ⟶ {Sn}^{2+} (a q) + {Zn}^{2+} (a q)

Námsmarkmið