Вопрос 17

ПОНЯТИЯ ОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

Процессы протекающие на поверхности раздела фаз , способны обмениватся заряженными частицами, называются электрохимическими процессами.

Переход заряженных частиц из одной фазы в другую приводит к возникновению скачка потенциалов вблизи поверхности разделов обеих фаз.

При этом возникающее электрическое поле может влиять на химические процессы, а химические процессы в свою очередь могут изменить величину скачка потенциала. Следовательно между электрическими и химическими явлениями существует тесная взаимосвязь, при которых происходят взаимопревращения электрическои и химической форм энергии.

Превращение химической энергии в электрическую имеет место в работе химических источников тока- электрохимических элементов и акумуляторов.

Превращение электрической энегии в химическую происходит при электролизе.

 Расположив металлы в порядке возрастания алгебраической величины Е⁰, получаютряд стандартных электродных потенциалов, который справедлив только для водных растворов. Поскольку Е⁰ представляет собой разность потенциалов (напряжение), то этот ряд называют также рядом напряжений.

Окисленная форма:           усиление окислительных свойств   

Li⁺  К⁺  … Mg²⁺  Al³⁺  Mn²⁺  Zn²⁺ … Pb²⁺   H⁺    Sb³⁺  Cu²⁺ … Au³⁺

Восстановленная форма:    уменьшение восстановительных свойств 

Li К Cs Rb … Mg Be Al Mn  Zn … Pb   H₂    Sb Bi Cu Hg Ag Pt Au



уменьшение стандартного электродного потенциала Е⁰, B

Чем меньше значение Е⁰, тем более сильно выражены восстановительные свойства его атомов и тем слабее – окислительные свойства его ионов. 

Из ряда напряжений следует:

        Активные металлы (от Li до Al) вытесняют водород (Н) из воды и из кислот-неокислителей, обладающих окислительными свойствами только за счет ионов Н⁺ (HCl, HBr, HI, H₃PO₄, H₂SO₄ (разб), CH₃COOH, H₂CO₃, H₂S).  

        Между Mn и Н₂  в ряду напряжений расположены металлы средней активности, вытесняющие водород (Н) из перегретого водяного пара (Mg и Al – из горячей воды) и из кислот сильных и средней силы.

        Правее Н₂ в ряду напряжений расположены малоактивные металлы (от Sb до Au), не вытесняющие Н  из воды и кислот даже при высокой температуре.

        Каждый металл вытесняет все последующие (менее активные) металлы из растворов их солей. Щелочные и щелочноземельные металлы в растворе соли менее активного металла реагируют не с солью, а с водой.

        С кислотами-окислителями: HNO₃ (разб.), HNO₃ (конц.), H₂SO₄ (конц.) взаимодействуют все металлы (кроме Au, Pt, Ir, Rh, Ta ), но Н₂  при этом не выделяется.

12.4        Электролиз  электролитов

       Электролиз – это ОВР, протекающая на электродах при прохождении постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита.

      Следовательно, электролиз - это процесс несамопроизвольный, так как для его проведения требуется расход энергии. 

Все количественные расчеты электролиза производят по закону Фарадея: масса вещества, прореагировавшего на электродах, пропорциональна коли-честву электричества, прошедшего через раствор: m = k  I  t, где m – масса вещества, выделившегося на одном из электродов, k – электрохимический эквивалент вещества, I – сила тока, t – время.

      Электролиз проводят в специальной емкости, называемой электролизером, который заполняют раствором или расплавом электролита и погружают в него две токопроводящие пластины (электроды), изготовленные из инертного по отношению к электролиту и продуктам электролиза материала.

 Электроды подключают к клеммам источника постоянного тока.

        Электрод, подключенный к (+) клемме, называется  анодом (А)

        Электрод, подключенный к (-) клемме, называется  катодом (К)

 Между катодом и анодом устанавливают полупроницаемую перегородку, пропускающую ионы, но не пропускающую молекулы, чтобы исключить возможность взаимодействия продуктов электролиза, накапливающихся в электродном пространстве. При подаче напряжения, отрицательные ионы устремляются к аноду, а положительные – к катоду.

Отсюда и  названия  ионов:

       анионы (А^m‾)  –  ионы, притягиваемые анодом. На аноде идет процесс      

     окисления анионов (А^m-, ОН‾ )  или молекул  Н₂О:                       

    4ОН‾ - 4 ē  О₂­ + 2Н₂О,       А^m‾  - m ē  A⁰,         2H₂O – 4 ē  O₂­ +  4H⁺

       катионы ( Meⁿ⁺)  –  ионы, притягиваемые катодом. На катоде идет процесс

     восстановления  катионов (Meⁿ⁺, Н⁺ ) или молекул Н₂О:

     2H⁺ + 2 ē  H₂­,          Meⁿ⁺  + n ē    Me⁰ ,           2H₂O + 2 ē  H₂­ + 2OH‾

 

Электролиз расплавов  электролитов

 С момента подачи напряжения на электродах протекают процессы окисления и восстановления ионов электролита. Эти процессы не зависят от материала электродов и природы ионов (рисунок 12.2). Если в расплаве находится смесь ионов различных электролитов, то порядок их разрядки на электродах определяется их электродными потенциалами (Е⁰):

        анионы окисляются на аноде в порядке возрастания Е⁰

        катионы восстанавливаются на катоде в порядке убывания Е⁰

 

Электролиз растворов электролитов

 Электролиз водных растворов электролитов протекает сложнее, чем электролиз расплавов (рисунок 12.2). Характер образующихся продуктов зависит от материала электродов, природы ионов и условий (температуры, концентрации раствора, рН среды, силы тока).   

 Различают анод нерастворимый (инертный), изготовленный из угля, графита, платины или золота и анод растворимый (активный), изготовленный из атомов металла анода: меди, серебра и других металлов (кроме платины и золота). В первом случае, анод не окисляется, а во втором – окисляется металл, из которого сделан анод.

Для определения продуктов электролиза водных растворов электролитов пользуются следующими практическими правилами:

        процессы на катоде не зависят от материала катода, а зависят от положения металла в ряду напряжений;

        процессы на аноде зависят от материала анода и природы анионов.