Konzentration Zelle und das Fundament der Elektrochemie

Konzentration Zelle und die Grundung der Elektrochemie
Die Darstellung in dem Buch ist umfangreicher. Hier finden Sie nur die , , Artikel " submmited zu ChemCommunication und als nicht wert ist, gedruckt , weil eine Reihe von Stand-alone- Experimente " , mit knappen Menge Geld gemacht , kann nicht in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht werden. Ein Teil der Diskussion wird am Ende des Materials dargestellt.

Obwohl die Konzentration Zellen eine theoretische und praktische Modell für die Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie darstellen , ist die tatsächliche Erklärung Kathode und Anode Ereignisse weit weg von den experimentellen Daten . Die Experimente zeigen, keine Übertragung von Masse zwischen den Elektroden und der Migration von ionischen Spezies in der Lösung steht nicht im Einklang mit den theoretischen Rahmen. Eine neue Interpretation für Elektrode Phänomene hat mit einer neuen Einsicht für die Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie vorgeschlagen werden.
Eine Konzentration Zelle eine galvanische Zelle mit Halbzellen gleicher Zusammensetzung , aber unterschiedlichen Konzentrationen . Das bekannteste Beispiel ist durch zwei Kupferelektroden in zwei Lösungen von Kupfersulfat in verschiedenen Konzentrationen eingesetzt dargestellt . Die Verbindung zwischen Halb- Zellen wird durch eine Salzbrücke oder durch eine osmotische Membran und Kupfer-Elektroden eine bestimmte Spannungsdifferenz gemessen versichert.
Bei osmotische Membran , besteht die Möglichkeit, für Ionen in Lösung zu durchqueren , um die Konzentrationen auszugleichen , so dass nach einem bestimmten Zeitintervall beide Lösungen kommen in gleicher Konzentration und die Potentialdifferenz Null wird . Im Falle einer Salzbrücke , liefert diese Ionen , um Lösungen und die gleichen Ereignisse geschehen. In konzentrierten Halbzelle wird Kupfer reduziert und die verbleibenden Anionen erhalten Kationen von der Brücke ; correspondently in halben verdünnten Zelle , Kupfer oxidiert wird und in Lösung und passieren die Brücke liefert Anionen .
Als Folge wird die Verdünnung des Kathodenhalbzelle indem Cu2 + zu Cu-Metall und Beschichtung , dass Metall auf der Cu-Elektrode erreicht . In der Anodenhalbzelle wird die Cu-Anode , um Cu2 + oxidiert und damit in die Lösung gelöst , so dass die Anode Zelle konzentrierter.
Um die Zellspannung bis angegebenen Konzentrationen ( 0,01 M und 1 M ) bei 25 ° C zu berechnen, wird Nernst Gleichung verwendet :
E = E ° - (0.059 / n ) log Q = 0,058 V
Die Konzentration Zellen sind ein interessanter Fall von Zellen , in denen keine Netto- chemischen Reaktionen auftritt. Die Zahlen von Kupfer und Sulfat-Ionen in System nicht ändern , es ist die Verteilung dieser Spezies in der Zelle, die die treibende Kraft zur Verfügung stellt. Vom thermodynamischen Standpunkt aus werden zwei Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen ineinander diffundieren , um bei einer einheitlichen Konzentration zu gelangen. Putting Kupfer-Elektroden in die Lösungen bietet eine alternative Methode zur Erreichung des gleichen Ende . Eine Elektrode kann ein Cu2 + -Ionen in die verdünnte Lösung freizusetzen , die Elektronen so produziert werden, werden die Drähte an die andere Elektrode zu reisen , und Cu2 + -Ionen aus der konzentrierten Lösung , reduziert, um eine Kupfer -Atom und an der Elektrode plattiert entfernt . Beide Veranstaltungen sind gleichzeitig .

Experiment 1
Das Ziel dieses Experiments ist es, den Stoffaustausch bei einem Diffusionskonzentration Zelle zu messen.
Materialien
• 1 M Kupfersulfat -Lösung
• 0,01 M Kupfersulfat -Lösung
• zwei PVC- Behältern ( wie in Figur 1 - Schnitt ) mit Kupferelektroden , vorbei an Armaturen und die Möglichkeit der Verbindung durch einen Membranfilter oder einer dickeren Schicht .
In dem Experiment wurden die Behälter 2 Liter Volumen und die Filtermembran wurde ein Nylon 0,22 Mikrometer Porengröße . Ein Behälter wurde mit 1 M -Lösung und die andere mit einem 0,01 M CuSO4 gefüllt . Die Zapfen -System geöffnet wurden (Abb. 1) und das Potential wurde gemessen, um die tatsächliche Vorhersage ( Nernst-Gleichung ) zu überprüfen; weiter das System wurde kurzgeschlossen und verließ für eine Woche , um die Konzentrationen in den beiden Fächern ausgleichen . Nach dieser Zeit beide Elektroden wurden mit einer Präzisionswaage gewogen und wieder verwendet werden für eine weitere Woche , Befüllen der Behälter mit frischen Lösungen . Am Ende der zweiten Woche wieder beide Elektroden erneut gewogen und das Verfahren der Bildung einer neuen Konzentration Zelle wiederholt. Das gesamte Verfahren wurde für die dritte Woche wiederholt.

Abbildung 1 . Diffusion Konzentrationszelle Details

Während dieser 3 Wochen Konzentrationen Äquilibrierung gab es keinen Transfer von Massendaten zwischen Kupfer-Elektroden . Auf der Elektrode in konzentrierter CuSO4 -Lösung eingetaucht , in der Zeit der blaue CuSO4 der Elektrode haften , und die Masse dieser Elektrode ist etwas erhöht (ca. 1 g) . Wenn die Elektrode mit reinem Wasser gewaschen wird, ist der Endmasse Elektrode die gleiche wie eine ursprüngliche .
Die Zunahme der Masse -Elektrode in der verdünnten Lösung gefunden ist etwa 0,3 g . Wieder durch bloßes Waschen die Masse dieser Elektrode invariant bleiben . Die Zunahme der Masse Elektroden durch CuSO4 , die an das Metall proportional mit der Konzentration in Lösung und nicht auf andere Prozesse verursacht haften .
In dem Experiment wurden die Massen der beiden Elektroden gemessen wird, um alle experimentellen Fehler zu vermeiden. Ein Massentransport von Cu sollte uns eine Korrelation zwischen einem schließlich von einer Elektrode Masse und Erhöhung eines anderen zu verringern.

Experiment Interpretation
Was sind die Vorhersagen der tatsächlichen physikalischen Chemie für bis vorgestellten Experiment ? Um genauer zu sein , was zu der theoretischen Masse transportiert Kupfer ?
Wenn Anode erzeugt ein Cu -Kation , muss ein anderer Sulfatanion die Membran passieren , um die Neutralität der Lösung zu haben und gleichzeitig ein Kupferatom ist auf der Kathode abgeschieden. Die Endkonzentration der beiden Lösungen etwa 0,5 M (die anfängliche Konzentration von Anodenraum wird vernachlässigt) . Um eine 0,5 M Sulfat -Konzentration im Anodenraum , müssen die Menge an Kupfer in 2 Liter Lösung freigesetzt gleich mit 1 Mol , die 63,5 g bedeutet . Auf der anderen Seite die Masse der Kathode sollte mit 63,5 g erhöht erscheinen .
Als Einwaage von Elektroden 25 g war , in der Regel nach einer Woche eine Elektrode muß in Lösung aufgelöst werden und die Masse der zweiten Elektrode sollte mit entsprechender Menge erhöht .
Da die Lösung wurde einmal pro Woche für drei Mal geändert , theoretisch sollte die Gesamtmenge an Kupfer Vertriebenen etwa 190 g betragen. Es ist unmöglich, nicht so Stoffaustausch sogar mit bloßem Auge .
Die experimentelle Realität ist ganz anders. Außer der CuSO4 Material, das mit den Elektroden haftet , ist keine erhöhte Masse von Kupfer für eine Elektrode und ohne Abnahme Masse für die andere Elektrode beobachtet.
Die oben vorgestellten Kalkül wurde in Anbetracht der Konzentration Zelle arbeitet mit einer Ausbeute von 100% . Natürlich gibt es einen Fick Diffusion zwischen Fächern , die die Kupfer- Übertragung vermindert . Bei einer Konzentration Zelle arbeitet mit einer Ausbeute von 0,1% (das ist absurd , weil die Zellen erkannt werden , um eine bessere Ausbeute dann weitere thermodynamische Prozesse haben ) , bei einer einzigen Konzentration Gleichgewicht erscheinen soll einen Stoffaustausch von 0,1 * 63,5 = 6, 35 g .

Experiment 2

Der Zweck dieses Experiments ist es zu analysieren, wie eine Salzbrücke Konzentration Zelle funktioniert.
Materialien:
• 1 M Kupfersulfat -Lösung
• 0,01 M Kupfersulfat -Lösung
• zwei kleine Behälter mit Kupfer-Elektroden ,
• eine Salzbrücke durch Sättigung ein Stück Baumwolle in CaCl2-Lösung und ein weiteres mit Agar-Agar und CaCl2 gemacht . Die Verwendung von CaCl2 in der Salzbrücke statt KCl ist nur durch die einfachere analytische Möglichkeiten Ca Bestimmung motiviert.
Zwei Konzentrationen Zellen werden unter Verwendung der oben vorgestellten Salz Brücken und ihre Potentiale gemessen werden zu bauen. Nach dieser Operation werden die Cu-Elektroden in Kurzschluss mit einer einfachen metallischen Leiter in Ordnung zu bringen , sich zu beeilen die elektrochemischen Prozesse , wie in Abb. . 2 .

Abbildung 2 . Salzbrücke Konzentrationszelle Details
Die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden wurden nach 3 , 5 und schließlich nach 8 Tagen kontinuierlicher Zellen Kurzschluss gemessen.
Im Falle von Agar-Agar - CaCl2 Brücke blieb die Potentialdifferenz das gleiche , ähnlich seinem ersten (E ' = 0.048 ), nachdem dieser Zeitabständen . Die Messungen von Cl -und Ca- Konzentration in beiden Kammern weisen eine Stufe von ihrer Konzentration unter dem chemischen Nachweisgrenze ( keine Fällung mit AgNO3 und H2SO4, wenige ppm mit präziser Methoden nachgewiesen ) .

Bei Baumwolle Salzbrücke gleichzeitig Intervall gibt es eine Verringerung der Zellspannung mit ca. . 0.002 V nach 3 Tagen und mit ca. . 0,007 V nach weiteren 5 Tagen, nach 8 Tagen die Variation des Potentials war etwa 0,01 V (initial gemessene Wert war 0,046 V) . Sowohl Ca und Cl Arten wurden in den Anoden-und Kathodenraum durch Fällung mit AgNO3 und H2SO4 detektiert. Eine normale analytische Verfahren wurde zur Messung ihrer Konzentrationen verfolgt, und es wurde festgestellt, dass:
Anode [Ca ] = [ Cl] / 2 = 1,74 M / L
Cathode [Ca ] = [ Cl] / 2 = 1,67 M / L
Die absoluten Werte der Ca und Cl Spezies an der Anode sind ein wenig höher als Kathodenbereich (vermutlich aufgrund der geringen anderen Ebene des Eintauchens Brücke in Lösung).
Auch hier gibt es keine Übertragung von Masse zwischen den Elektroden ( beide Elektroden nach dem Waschen mit klarem Wasser die gleiche Masse haben als ersten Tönen).

Experiment Interpretation
Soweit die Masse der Elektroden konstant bleiben , sind die gleichen Überlegungen zunächst Experiment präsentiert wiederholt.
Noch wichtiger für die Gründung der Chemie ist die Analyse der physikalischen und chemischen Phänomen, das Platz an der Kathode und der Anode sollte . Warum Kupferionen sollte im Falle von konzentrierten Lösung und Kupfer reduziert werden sollte in verdünnten Lösung oxidiert werden ? Deshalb gibt es keine gegenteilige Phänomen , genauer Cu2 + aus verdünnten Lösung reduziert und im Falle von konzentrierten Lösung Cu-Metall oxidiert ?
Sind Richtungen von chemischen Reaktionen diktiert durch Gradienten- Konzentration in der letzten Zeit in der Chemie ?
Von niedrigen Chemie ist bekannt, dass eine Oxidation stattfindet in Anwesenheit eines Reduktionsmittels .
Zum Beispiel Cu-Metall kann durch ein Oxidationsmittel wie Sauerstoff oder Salpetersäure oxidiert werden. Auf der anderen Seite eine Verminderung der Cu2 + ein Reduktionsmittel wie Wasserstoff benötigt , etc. Gleichungen für die Reaktionen
2 Cu ( s ) + O2 ( g) -> 2 CuO ( s )
CuO ( s ) + H 2 ( g) -> Cu ( s ) + H 2 O ( g)
Durch im Gegensatz zu diesem bekannten Verhalten von Kupfer, eine einfache Diffusion von Ionen ( ohne chemische Prozesse entsprechend der tatsächlichen Auslegung ) im Falle einer Salzbrücke Zelle in der Lage ist , eine Oxidation von Cu mit einer Elektrode und die Verringerung der Cu2 + zu erzeugen, um andere Elektrode . Das eigentliche Erklärung ist völlig ungenau und im Widerspruch mit den experimentellen Ergebnissen .

Schlussfolgerungen
Die tatsächliche akzeptierte Erklärung nicht in der Lage , eine kohärente Erklärung , Kathode und Anode " Stoffaustausch bei Konzentration Zellen geben . Weiterhin gibt es keine schlüssige Erklärung für die Oxidation und Reduktion Phänomen durch eine Lösung Gradienten diktiert . Eine neue Erklärung für die elektrische Energieerzeugung muss vorgeschlagen werden.

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Sent: Wednesday, May 29, 2013 6:12 PM
Subject: ChemComm - Decision on Manuscripts ID CC-COM-05-2013-043664, 043842, 043956 and 043995

  29-May-2013

  Dear Dr Cosofret:

  MANUSCRIPT ID: CC-COM-05-2013-043664
TITLE: Under voltage electrolysis and foundation of exact sciences
AUTHORS: Cosofret, Sorin

  MANUSCRIPT ID: CC-COM-05-2013-043842
TITLE: Concentration cell and foundation of electrochemistry
AUTHORS: Cosofret, Sorin

  MANUSCRIPT ID: CC-COM-05-2013-043956
TITLE: Volta Battery and the basis of electricity
AUTHORS: Cosofret, Sorin

  MANUSCRIPT ID: CC-COM-05-2013-043995
TITLE: Can electrodes double oxidation phenomena generate an electric current?
AUTHORS: Cosofret, Sorin

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  Yours sincerely,

  Ellie

  Dr Eleanor A. Merr