На головну

IV. електрохімічні процеси

  1. Абсорбційної очищення газу за допомогою окисної конверсії (процеси Джамарко, Ветрокок, Стретфорд, такахакс, Клауса, Річардса, Лоу-Кет).
  2. АКУСТИЧНІ ПРОЦЕСИ
  3. Антропологічна, лінгвістична класифікація слов'ян. Особливості етногенезу. Етнічні процеси в слов'янському світі
  4. Бізнес-процеси підприємства
  5. біогенні процеси

При окисно-відновних реакціях (ОВР) відбувається перехід електронів від відновника до окислювача.

Якщо здійснити ОВР так, що полуреакции окислення і відновлення будуть просторово розділені, то, якщо з'єднати відновник і окислювач металевим провідником, ми отримаємо спрямований рух електронів - електричний струм.

Хімічні процеси, які супроводжуються виникненням електричного струму або протікають під дією електричного струму, називаються електрохімічними процесами.

Електрохімічні процеси, в яких хімічна енергія перетворюється в електричну енергію, протікають в хімічні джерела електричної енергії (Гальванічний елемент, акумулятор, паливний елемент).

Електрохімічний процес, в якому електрична енергія зовнішнього джерела перетворюється в хімічну енергію (окислювально-відновна реакція), називається електролізом.

Перш, ніж розібрати процеси, що протікають в хімічних джерелах електричної енергії і при електролізі, розглянемо поняття електродний потенціал. Опустимо металеву пластинку в водний розчин власної солі. Наприклад: цинкову пластинку в розчин сульфату цинку.

Метали мають атомну структуру (див. Будова твердого тіла). У вузлах кристалів розташовані атоми і позитивно заряджені іони, пов'язані вільними (делокалізованних) електронами.

При зануренні металу в водний розчин, полярні молекули води взаємодіють з поверхневими іонами металу. В результаті взаємодії відбувається виривання позитивних іонів з металу, а електрони залишаються в кристалі металу.

Метал, в якому залишилися електрони стає зарядженим негативно, а розчин, в який перейшли позитивно заряджені іони металу - позитивно. Іони з розчину притягуються до негативно зарядженої поверхні металу, однак, оболонка з молекул води перешкоджає їх взаємодії (див. Тему розчини, розділ дисоціація електролітів). Тому позитивно заряджені іони концентруються біля поверхні

e? · Me+ Н2Про e? Me+ · Н2О

e? · Me+ Н2Про e? Me+ · Н2О

e? · Me+ Н2Про e? Me+ · Н2О

       
   


Метал Розчин Метал Розчин

Таким чином, на межі метал - розчин виникає подвійний електричний шар.

 Різниця потенціалів на межі метал - розчин називається електродним потенціалом, а система метал - розчин називається електродом.

Даний процес є оборотним. Процес переходу іонів в розчин - це реакція окислення; зворотна реакція - відновлення іонів з розчину до атомів металу

окислення

 Me + mH2O  (Me · H2O)m+ + me-

відновлення

Рівновага має динамічний характер. Залежно від умов процес зміщується в бік окислення або відновлення. Потенціал, який встановлюється в умовах рівноваги реакцій окислення і відновлення на електроді, називається рівноважним електродним потенціалом.

Електрод, на якому відбувається процес окислення, позначають: Ме / Меn+, Електрод, на якому відбувається процес відновлення: Меn+ / Ме.

На величину електродного потенціалу впливають:

- Природа металу;

- Концентрація катіонів, в розчині електроліту;

- Температура.

Кількісно ця залежність виражається рівнянням Нернста

е = е0 + R · T · Ln [Меn + ] / NF

де е - рівноважний електродний потенціал, В;

е0 - Електродний потенціал, В;

R - універсальна газова стала, 8,31 Дж / мовляв 0До;

Т - температура, 0До;

n - число електронів, що приймають участь в процесі (заряд іона);

F - постійна Фарадея, 96,500 Кл / мовляв;

[Меn+ ] - Концентрація іонів в розчині електроліту.

При температурі 298 0К (25 0С) рівняння Нернста має вигляд:

е = е0 + 0.059 · Lg [Меn+ ] / N

Стандартний електродний потенціал - Потенціал даного електрода при температурі 2980К (25 0С) і молярної концентрації іонів в розчині 1,0 мовляв / л.

Абсолютне значення електродного потенціалу експериментально визначити неможливо. визначають відносні значення електродних потенціалів по водневої шкалою. За нуль прийнято значення потенціалу водневого електрода при стандартних умовах

 2Н+ + 2е- Н2 е0Н2/ 2Н+ = 0 (В)

Для визначення електродного потенціалу відповідного електрода становлять гальванічний елемент з випробуваного (наприклад Zn / Zn2+) І стандартного водневого електрода (2Н+/ Н2). Вимірюють електрорушійну силу (Е. Д. С.) елемента:

Е. Д. С. = е0+/ Н2 - е0 Zn / Zn2+

Наприклад: +0,76 = 0 - е0 Zn / Zn2+

Звідси е0 Zn / Zn2+ = - 0.76 (В)

На практиці в якості електрода порівняння використовується каломельний електрод. Потенціал насиченого каломельного електрода при 25 0З дорівнює +0,244 (В).

Якщо розташувати електроди в ряд у порядку зростання потенціалів, то отримаємо ряд стандартних електродних потенціалів

К / К+ Na / Na+ Mg / Mg2+ Zn / Zn2+ Fe / Fe2+ H2/ 2H+ Cu / Cu2+

-2.92 -2.71 -2.36 -0.46 -0.44 0 +0.34

Ряд стандартних електродних потенціалів дає кількісну електрохімічний характеристику металів:

С зменшенням величини електродного потенціалу - зростає здатність атома металу окислюватися до іона

 Ме - ne-  Men+

На прикладі0Fe / Fe2+ = -0.44 (В) e0 Zn / Zn2+ = -0.76 (В)

Fe - 2e- = Fe2+ Zn - 2 e- = Zn2+

Атоми цинку легше окислюються, ніж атоми заліза.

С збільшенням величини електродного потенціалу - зростає здатність іонів металу відновлюватися до атома

 меn+ + ne- Me

На прикладі0Fe / Fe2+ = -0.44 (В) e0 Zn / Zn2+ = -0.76 (В)

Fe2+ + 2e- = Fe Zn2+ + 2e- = Zn

Іони заліза легше відновлюються, ніж іони цинку.

Хімічні джерела електричної енергії (ХІЕЕ)

ХІЕЕ - пристрої, що перетворюють енергію хімічної реакції в електричну енергію.

ХІЕЕ, в яких протікають незворотні окислювально-відновні реакції (використовуються одноразово), називаються електричними елементами. ХІЕЕ, в яких протікають обратімиеокіслітельно-відновні реакції (допускають багаторазове використання) називаються акумуляторами.

гальванічний елемент.

Перший гальванічний елемент Якобі-Даніеля складається з: цинкового електрода (цинкової пластинки, опущеною в розчин сульфату цинку) і мідного електрода (мідної пластинки, опущеною в розчин сульфату міді). Обидві пластинки з'єднані провідником, а судини з розчином - електролітичним містком (трубка з розчином солі).

При виготовленні цинкового електрода на кордоні поверхні цинкової пластини і електроліту виникає подвійний електричний шар і встановлюється рівновага

 Zn Zn2+ + 2e-.

На мідному електроді також встановлюється рівновага

 Cu Cu2+ + 2е-.

Так як цинковий електрод має більш низьке значення електродного потенціалу (-0,76 В), ніж мідний електрод (+0,34 В), то на цинковій електроді легше йде окислювання, тому більше накопичується вільних електронів. При замиканні зовнішнього ланцюга електрони будуть переходити від цинкового електрода до мідного електрода.

За відхилення стрілки гальванометра можна судити, що по зовнішньому ланцюзі йде електричний струм.

В результаті на цинковій електроді рівновагу зміститься вправо - т. Е. В розчин перейде додаткову кількість іонів цинку. Буде спостерігатися розчинення цинкової пластинки. На цинковій електроді протікає процес окислення

Zn - 2 e- = Zn2+

У той же час мідний електрод приймає електрони із зовнішнього ланцюга і на ньому також зміщується рівновага, тільки у зворотний бік (вліво). Іони з розчину виділяються у вигляді атомів на мідній пластині. На мідному електроді відбувається процес відновлення

Cu2+ + 2е- = Cu

В електрохімії електрод, на якому йде процес окислення, називається анодом (Більш активний метал). Електрод, на якому протікає процес відновлення, називається катодом (Менш активний метал).

На цинковій електроді катіони, переходячи в розчин з цинкової пластини, заряджають його позитивно. На мідному електроді катіони міді, переходячи з розчину на мідну пластину, заряджають розчин негативно за рахунок надлишку сульфат-іонів. Тому в елементі спостерігається спрямоване рух іонів (SO42) Від мідного електрода до цинкового.

Отже, при роботі гальванічного елемента має місце:

- Рух електронів по зовнішньої ланцюга - електронна провідність;

- Рух іонів в розчині - іонна провідність.

Сумарне рівняння окисно-відновної реакції протікає в гальванічному елементі:

- В іонному вигляді Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu;

- В молекулярному вигляді Zn + CuSO4= ZnSO4 + Cu



Завдання №10. | Гальванічний елемент записують у вигляді електрохімічної схеми. Електрохімічний схема цинк-мідного гальванічного елемента

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ | електроліз | V. Приклади ВИКОНАННЯ ЗАВДАНЬ по розділу ХІМІЧНІ ДЖЕРЕЛА ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ | VI. Приклади ВИКОНАННЯ ЗАВДАНЬ по розділу ЕЛЕКТРОЛІЗ ВОДНИХ РОЗЧИНІВ ЕЛЕКТРОЛІТІВ |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати