Понятие об электродном потенциале.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ.

Электрохимия - это раздел химической науки, изучающей законы взаимного превращения электрической и химической форм энергии, а также физико-химические свойства ионных систем.

Электрохимические явления подразделяют на две группы. К первой группе относятся процессы перехода химической энергии в электрическую, который происходит в химических источниках тока (гальванические и топливные элементы, аккумуляторы). Ко второй группе относятся процессы электролиза, в которых за счет электрической энергии осуществляются химические превращения.

Основы работы гальванических элементов

Гальванический элемент - это электрохимическая система, состоящая из двух электродов любого типа и в которой самопроизвольно протекает окислительно-восстановительная реакция, энергия которой преобразуется в электрическую энергию.

Гальванические элементы - химические источники тока!

Электродом называется система, состоящая из проводника 1-го рода (металл или полупроводник), контактирующего с электролитом (проводником 2-го рода).

В проводниках 1-го рода переносчиками электрического заряда являются электроны, а в проводниках второго рода – ионы.

В электрохимии электроды изображаются в виде условной записи (схемы): слева от вертикальной черты, означающей границу раздела фаз, указывают вещества, находящиеся в растворе; справа – вещества, образующие электродный материал (другую фазу). Если фаза содержит несколько веществ, их формулы разделяются запятыми. Например, электроды:

Zn 2 + | Zn – цинковый; Cl – | Cl2 , Pt – хлорный;

Равновесные электроды, объединенные в гальваническом элементе, образуют неравновесную систему. Причиной неравновесности (а пока она есть, гальванический элемент может служить источником тока) является разница электродных потенциалов и, следовательно, стремление электронов переходить от одного металла к другому по внешней цепи. Одновременно во внутренней цепи происходит перенос ионов.

Одним из наиболее простых гальванических элементов является элемент Даниэля-Якоби, состоящий из двух электродов, соединенных жидкостным мостиком или проницаемой мембраной. Один электрод представляет собой цинковую пластину, опущенную в водный раствор сульфата цинка ZnSO4, а другой – медную пластину, опущенную в водный раствор сульфата меди CuSO4. Электрод Zn²⁺ | Zn при разомкнутой цепи гальванического элемента имеет отрицательный потенциал относительно электрода Cu ²⁺ | Cu .

При замыкании электродов металлическим проводником на цинковом электроде окисляется цинк (электрод растворяется):

Zn ⁰ – 2e → Zn ^{2 +}.

Электроны, оставаясь в металле, переносятся по внешней металлической цепи к медному электроду и захватываются ионами меди вблизи медной пластины (медь оседает на электроде):

Cu²⁺ + 2e → Cu⁰.

В результате электроны переходят от цинкового электрода к медному по внешней цепи. Одновременно, отрицательные ионы SO₄^2– движутся к анодному раствору ZnSO₄, обогащенному ионами Zn²⁺, ток во внутренней цепи течет от медного электрода к цинковому электроду.

Электрод, на котором протекает процесс окисления, называют анодом, а электрод, на котором происходит процесс восстановления, - катодом.

Суммируя электродные реакции, получаем:

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu.

В результате протекания этой реакции во внешней цепи генерируется электрический ток.

Суммарная реакция, протекающая при работе гальванического элемента, химическая энергия которой переходит в электрическую, называется токообразующей (ТОР).

Гальванический элемент принято записывать в виде электро-химической схемы:

(-) А: Zn | ZnSO ₄ || CuSO ₄ | Cu K (+)

SO ₄^2-

где | - граница раздела между металлом и раствором; || - граница, разделяющая растворы электролитов. Анод принято записывать слева, катод – справа.

Таким образом, при работе элемента Даниэля – Якоби протекают следующие процессы:

1. Реакция окисления цинка (анодный процесс):

Zn⁰ – 2e → Zn²⁺;

2. Реакция восстановления ионов меди (катодный процесс):

Cu²⁺ + 2e → Cu⁰;

3. Движение электронов во внешней цепи;

4. Движение ионов в растворе: анионов (SO₄^2–) к аноду (цинковому электроду), катионов (Cu²⁺ , Zn²⁺) к катоду (медному электроду).

Понятие об электродном потенциале.

Рассмотрим процессы, протекающие при погружении металла в раствор, содержащий ионы этого же металла. В узлах кристаллической решетки находятся атомы, находящиеся в равновесии со свободными электронами:

Mn + (n e) → Mn + + n e .

При погружении металла в раствор начинается сложное взаимодействие металла с компонентами раствора. Полярные молекулы воды взаимодействуют с поверхностными атомами металла. При этом гидратированные ионы переходят в раствор, электроны остаются в металле:

М + m Н2О → [M (Н2О)m]n + + n e .

Металл становится заряженным отрицательно, а раствор – положительно. На границе раздела «металл (M) – раствор (P)» возникает двойной электрический слой (ДЭС) (см. рис. 11.2), характеризуемый разностью электрических потенциалов (∆Е = Е _M - Е _P), которая называется электродным потенциалом или потенциалом электрода.

По мере перехода ионов в раствор увеличиваются отрицательный заряд поверхности металла и положительный заряд раствора. Это способствует протеканию обратного процесса:

[M (Н2О)m] n + + n e → М + m Н₂О .

При некотором значении электродного потенциала скорость прямого процесса становится равной скорости обратного процесса, устанавливается равновесие, которое записывают в упрощенном виде:

М → M^{n +} + ne .

Потенциал, устанавливающийся в условиях равновесия электродной реакции, называется равновесным электродным потенциалом, а ионы металла M^{n +}- потенциалопределяющими ионами.

Относительные величины электродных потенциалов (их значения в вольтах по водородной шкале) обозначаются Е⁰_Zn_2+/_Zn

окисленная форма восстановл. форма

Индекс «0» вверху справа означает стандартные термодинамические условия: Т= 25⁰ и р=760 мм. рт. ст.

Дата добавления: 2022-12-03; просмотров: 35; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!