Лекция 7. Электрохимические процессы

План

1. Предмет электрохимии. Электроды.

2. Возникновение потенциала на границе металл-раствор.

3. Гальванический элемент Даниэля-Якоби.

4. Аккумуляторы.

1. Электрохимия – это раздел физической химии, в котором изучаются процессы превращения химической и электрической энергии. Электрохимические процессы протекают на границе раздела фаз (металл-раствор) с участием заряженных частиц. Эти процессы имеют большое практическое значение и используются при работе химических источников тока, для нанесения защитных покрытий, получения и очистки металлов.

Электродом в электрохимии называют систему, состоящую из токопроводящего вещества и раствора (расплава) электролита, в который погружается это вещество. Простейшим примером электрода является металл, погруженный в водный раствор соли этого металла - медная пластинка, погруженная в раствор сульфата меди (II). В качестве электрода сравнения используют стандартный водородный электрод, потенциал которого приравнивается к нулю.

2. Металл, погруженный в раствор электролита, представляет собой токопроводящую систему. При этом, между электродом и раствором электролита возникает разность потенциалов, называемая электродным потенциалом. Возникновение разности потенциалов на границе металл-раствор обусловлено протеканием электродных процессов. Электродные процессы представляют собой окислительно-восстановительные реакции. Механизм этих процессов заключается в следующем. При контакте металла с раствором ионы кристаллической решетки металла притягиваются полярными молекулами воды и переходят в раствор, заряжая его положительно, а металл, в котором появился избыток электронов, заряжается отрицательно. При этом между металлом и раствором устанавливается разность потенциалов.

3. Химический гальванический элемент – это устройство, в котором энергия химической реакции преобразуется в электрическую энергию. Наиболее простейшим является гальванический элемент Даниэля-Якоби. Он состоит из стандартных цинкового и медного электродов. Электроды погружены соответственно в растворы ZnSO₄ и CuSO₄. Цинковый электрод заряжен отрицательно, а медный положительно.

Схему элемента можно записать следующим образом:

(-) Zn I ZnSO₄ II CuSO₄ I Cu (+)

При замыкании цепи протекают следующие процессы:

1. реакция окисления цинка Zn -2e Zn²⁺

Процессы окисления в электрохимии получили название анодных процессов, а электроды, на которых идут процессы окисления, называются анодами;

2) реакция восстановления ионов меди Сu²⁺ +2e Cu

Процессы восстановления в электрохимии получили название катодных процессов, а электроды, на которых идут процессы восстановления, называют катодами;

3) движение электронов по внешней цепи;

4) движение ионов в растворе: анионов (SO₄^2-) к аноду, катионов (Сu²⁺, Zn²⁺) к катоду.

Основной характеристикой гальванического элемента является его электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС элемента Даниэля-Якоби равна:

Е = Е_Сu - E_Zn

Стандартная ЭДС элемента Даниэля-Якоби равна 1,1 В.

4. В качестве источников постоянного тока в работе наиболее эффективны гальванические элементы многоразового использования – аккумуляторы. Рассмотрим работу свинцового аккумулятора. Он состоит их погруженных в раствор серной кислоты свинцового электрода и электрода из свинца, который покрыт слоем оксида свинца (IV). При работе аккумулятора на электроде без покрытия происходит реакция окисления:

Рl + SO₄^2- -2e = Рl SO₄

На электроде, покрытом слоем окислителя, протекает процесс восстановления:

PlO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- + 2e = Рl SO₄ + 2H₂O

Суммарная реакция: PlO₂ + Рl + 2H₂SO₄ = 2Рl SO₄ + 2H₂O

Пропуская электрический ток через разряженный аккумулятор, его можно снова полностью зарядить. В процессе зарядки аккумулятора сульфат свинца (II) удаляется с электродов и они приобретают исходную форму.