Э лектрохимия представляет собой область химии, которая изучает реакции, протекающие с подводом и отводом электрической энергии. Такие процессы называются электрохимическими.

При электрохимических реакциях происходит превращение химической энергии в электрическую и, наоборот электрической энергии в химическую.

На лекции будут рассмотрены три вопроса:

Теория возникновения электродных и окислительно-восстановительных потенциалов

Определение направления окислительно-восстановительного процесса

ОВ равновесие и процессы жизнедеятельности организмов

1. Механизм возникновения электродного потенциала

Механизм возникновения электродного потенциала объясняется сольватационной теорией. Для всех металлов характерно свойство в большей или меньшей степени растворяться в воде, при этом в воду переходят положительно заряженные ионы металла, в результате чего пластинка заряжается отрицательно. Гидратированные катионы Меⁿ⁺ скапливаются возле поверхности пластинки и на границе раздела двух фаз «металл-раствор (уже не Н₂О)» возникает двойной электрический слой. Между пластинкой и раствором устанавливается химическое равновесие:

М

пластинка

равновесная конц. (р-р)

пластинка

е + m Н₂О  Ме⁺ (Н₂О)_m + n e

При погружении металла в раствор его собственной соли (например, Zn в р-р ZnSO₄ или Cu в р-р CuSO₄) принципиально возможно протекание двух противоположных процессов:

Ме (пластинка)  Меⁿ⁺ (раствор) + ne (пластинка) [растворение Ме] или

Меⁿ⁺(раствор)+ne (пластинка)  Ме (пластинка) [осаждение Ме на пластинке]

- Который из них протекает?

- Все зависит от концентрации раствора соли в который опущена пластинка. А именно, если концентрация ионов металла в этом растворе меньше равновесной (см. 1-ю реакцию), то идет растворение металла пока не установиться равновесная концентрация ионов металла, при этом пластинка заряжается отрицательно. Если же малоактивный метал погружен в р-р соли с концентрацией больше равновесной, то идет процесс осаждения Меⁿ⁺ на пластинке, заряжая ее положительно. (Такие случаи мы рассматривать не будем, а будем иметь дело с растворами солей, в которых концентрация Меⁿ⁺ меньше равновесной для определенного металла.) Т.о., пластинка всегда заряжена отрицательно, но в большей или меньшей степени (в зависимости от электролитической упругости металла и осмотического давления его катионов). Например, цинковая пластинка имеет больший отрицательный заряд, чем медная.

Как уже было сказано, благодаря электростатическому притяжению между катионами и электронами катионы Меⁿ⁺ удерживаются вблизи поверхности металла. В результате возникает двойной электрический слой и появляется разность электрических потенциалов (скачок потенциала).

Подобная система - металл, погруженный в раствор электролита называется электродом. Электрод- это система из двух токопроводящих тел: проводников 1-го рода (носители заряда - электроны) и проводников второго рода(носители эл. заряда - ионы). Потенциал, возникающий на границе раздела Ме/ р-р его соли называется электродным или ОВ потенциалом. Величина электродного потенциала рассчитывается по уравнению Нернста:

На величину электродного потенциала влияет температура и активность Ме^т+

Гальванические элементы

Это устройства, в которых химическая энергия превращается в электрическую. Электрод в ГЭ называется полуэлементом. ГЭ состоит из двух полуэлементов: на одном идет процесс окисления, на другом - процесс восстановления.

Различают два типа гальванических элементов - биметаллический и изометаллический. Биметаллический состоит из разных электродов, а изометаллический - из одинаковых. Рассмотрим первый из них. Это элемент Якоби-Даниэля.

Он состоит из цинкового электрода - цинковая пластинка погружена в р-р ZnSO₄ и медного электрода - медная пластинка погружена в р-р СuSO₄. Схематически это записывают так: (слайд). Как мы отметили выше, в силу большей склонности к окислению цинковая пластинка будет заряжаться более отрицательно, чем медная. Поэтому цинковому электроду приписывается «-» , а медному «+». Электрод с избытком электронов называют отрицательным полюсом ГЭ, или анодом, а электрод с недостатком электронов- положительным полюсом или катодом.

В этом ГЭ протекают следующие электродные процессы: (слайд)

При замыкании цепи электроны по внешнему ее участку (металлическому проводнику) переходят от отрицательного полюса к положительному - гальванометр фиксирует появление эл. тока. Для устранения диффузионного потенциала применяют солевой мостик. Это стеклянная трубка, заполненная насыщенным раствором KCl. Его ионы замедляют движение быстрых ионов и ускоряют движение медленных.

Мерой работоспособности ГЭ является ЭДС или разность потенциалов, которая рассчитывается следующим образом (слайд):