а хімічної енергії в електричну гальванічні елементи паливні елементи; б електричну енергію в хімічну еле

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Електрохімія і електрохімічні процеси

1.  Напрямок окислювально-відновних реакцій. Електродний потенціал. Ряд напруг металів.
2.  Гальванічні елементи.
3.  Паливні елементи. Акумулятори.
4.  Електроліз розчинів і розплавів. Закони Фарадея.
5.  Хемотрони.

1.  Напрямок окислювально-відновних реакцій. Електродний потенціал. Ряд напруг металів.

Електрохімічні процеси – це процеси прямого перетворення: а) хімічної енергії в електричну (гальванічні елементи, паливні елементи); б) електричну енергію в хімічну (електроліз).

Електрохімічні процеси відбуваються за рахунок окислювально-відновних реакцій на електродах. Кількісно цей процес характеризується:

1.  величинами електродних потенціалів (або окислювально-відновних потенціалів) і ЕРС процесу (,);
2.  константою хімічної рівноваги;
3.  енергією Гібса;
4.  швидкістю і еквівалентами речовин.

Електродний потенціал – це різниця потенціалів, яка виникає на межі розділів фаз (метал-розчин) за рахунок утворення подвійного електричного шару, який вперше спостерігав Гейм Гольц. Наприклад, при зануренні цинкової пластини в розчин електроліту (ZnSO4).

Через деякий час негативно заряджені частинки диполю води електроліту відтягують на себе позитивно заряджені іони  з кришталевої ґратки металу і цинк буде розчинятися. Іони  переходять у розчин і на цинковій пластині залишиться надлишок електронів, тому сама пластина зарядиться негативно. Але через деякий час позитивно заряджені частинки притягуються до негативно зарядженої пластинки цинку і утворюється подвійний електронний шар.

Виміряти безпосередньо електричний потенціал, який утворився неможливо (немає такого обладнання), тому його вимірюють побічним шляхом відносно стандартного електроду (водневий, каломельний, хлорсрібний і т.д.).

Водневий електрод – це платиновий дротик або металева пластина, вкрита тонким шаром  платини. Він занурений в водний розчин сульфатної кислоти з концентрацією 1 моль/л. Через розчин пропускають водень (101,3 кПа, Т = 298).

Платинова пластина активно поглинає водень, тому платиновий електрод прокривається шаром водню, і платиновий електрод поводить себе як водневий. Потенціал водневого електроду , .

Так як , тоді . З цього виходить:

Тоді мілівольтметр зовнішнього ланцюгу цинково-водневого гальванічного елементу буде показувати значення електродного потенціалу  цинку : .

На електродах відбувається реакція:

 – відновник

 – окислювач

На електродах відбувається реакція:

 – відновник

 – окислювач

, але , тоді

Таким чином були виміряні електродні потенціали всіх металів і складено ряд напруг металів.

Висновки:

1.  Чим більше негативне значення електродного потенціалу, тим більше відновлювальна здібність металів і менша окислювальна властивість іонів цих металів.
2.  Чим лівіша (або чим вище) знаходиться метал в ряду напруг, тим він більше хімічно активний.
3.  Кожний метал ряду відновлює катіони всіх наступних за ним металів з розчинів їх солей: .
4.  Метали, які стоять лівіше (вище) водню відновлюють його із розбавлений кислот (крім нітратної), а метали від Li до Mg відновлюють водень навіть з води. Метали, які знаходяться після водню

Представлений ряд має місце тільки для водних розчинів.

Якщо умови відрізняються від стандартних, то використовують рівняння Нернста:

F – число Фарадея (F = 96500 Кл)

Якщо ЕРС більше нуля, то проходить пряма реакція.

Енергія Гібса

Для ОВР енергію Гібса розраховують за формулою:

, де n – число електронів, що віддає відновник і приймає окислювач (перехідні електрони).

Константа рівноваги

Константа рівноваги характеризує глибину протікання реакції.

, де  – константа рівноваги, тоді

Якщо , то відбувається пряма реакція.

Якщо , то реакції протікають не зворотно.

Якщо  – зворотні реакції.

Якщо  – протікають реакції в напрямку вихідних речовин.

Якщо , то реакції не проходять

Наприклад:

.

Тобто, , йде пряма реакція.

 кДж/моль

, йде пряма реакція

– реакція протікає незворотно.

1.  Гальванічні елементи.

Система, яка складається з металу, зануреного в розчин своєї солі, називається гальванічною парою або гальванічним напів елементом. При роботі гальванічних елементів хімічна енергія переходить в електричну.

З пари металів розчиняється завжди більш активний метал.

У випадку активних металів позитивні іони цих металів в гідратованому вигляді переходять у розчин (дивись вище диполь води), внаслідок чого пластинка набуває негативного заряду, а розчин позитивним. На менш активному металі (Cu) внаслідок переходу електронів по зовнішньому ланцюгу від цинкової пластини частина іонів  переходить до розчину на пластину і її поверхня частково набуває позитивного заряду, а розчин  має надлишок негативних аніонів . Таким чином за рахунок стрибка потенціалу, тобто утворення подвійного шару біля цинкового електроду, електрони по зовнішньому ланцюгу рухаються до мідного, і на електродах відбувається реакція:

Тобто цинковий електрод розчиняється, а на мідному осідає шар вільної міді.

Так як розчин  має надлишковий негативний заряд, а розчин  позитивний, іони  починають рухатись через напівпроникливу мембрану з негативного розчину в позитивний. Ланцюг замикається і на приладі спостерігаємо наявність струму.

Всі металеві провідники – це провідник першого роду, електроліти – другого.

Схематично гальванічний елемент зображують:

– анод

– катод

В даному випадку  буде анодом, а  – катодом. Треба пам’ятати, що на аноді завжди іде процес окислення, а на катоді відновлення.

Перший гальванічний елемент було запропоновано італійським вченим Вольтом, це був цинко-мідний елемент: цинкова і мідна пластина, а між ними тканина, змочена сульфатною кислотою:

В техніці широко використовують сухі гальванічні елементи (радіо, телеграф). Наприклад, гальванічний елемент Ле-Кланше:

Анод, цинковий стаканчик, розчиняється:

Електроліт – паста з  взаємодіє з іонами  і утворюється комплексна сполука.

Електрони від цинку по зовнішньому ланцюгу рухаються до катоду і сюди підходять іони  по внутрішньому ланцюгу:

1.  Паливні елементи. Акумулятори.

Принцип гальванічного елементу використовується в так званих паливних елементах, а також в батарейках. На практиці вдається енергію хімічних процесів перетворити в електричну на 80-90%. Тоді як від роботи кращих теплових електростанцій ККД ~ 40%.

В паливних елементах використовують реакції горіння палива (ОВР): ККД ~ 80%. Принцип роботи розглянемо на прикладі лужного воднево-кисневого елементу. Це герметично камера з двома пористими електродами, занурених в розчин , безпосередньо до електродів підводиться паливо Н2 і окислювач О2. Продуктом роботи (відходи виробництва) є вода, тобто це екологічно чистий елемент.

Сумарна реакція ОВР:

   кДж/моль

На аноді відбувається електрохімічне окислення водню:

На катоді відновлення кисню:

Електрони переміщуються по зовнішньому ланцюгу від аноду до катоду, а в розчині іони  від катоду до аноду. Енергія даної ОВР перетворюється і виділяється не у вигляді теплоти, а безпосередньо у вигляді електричної енергії.

Акумулятори

Акумулятори – це вторинні джерела електричного струму. Працездатність розрядженість акумулятора можна відновити, пропустивши в зворотному напрямку струм (електроліз) від зовнішнього джерела стуму.

Найбільш розповсюджені:

1.  свинцевий (кислотний) акумулятор – це зворотній гальванічний елемент, в якому негативним електродом є система свинцевих перфорованих пластин, заповнених губчастим свинцем, а позитивним електродом є диоксид свинцю (PbO2) впресований в свинцеві ґратки. Як електроліт використовують 30% розчин H2SO4.

Схематично:

ЕРС залежить від концентрації кислоти і дорівнює  .

При зниженні напруги до  акумулятор вважається розрядженим.

ККД ~ 80%

1.  залізо-нікелевий акумулятор (лужний) – електроліт 20-30% розчин . Активна маса негативного електроду – губчасте залізо, позитивного електроду

Схема:

Розрядка відбувається при напрузі , при  вважається розрядженим.

Має менший ККД ~ 50%, але в ряді випадків має переваги: менша маса і довший термін дії, а також простіше обслуговування.

1.  Електроліз розчинів і розплавів. Закони Фарадея.

Електроліз – це окислювально-відновний процес, який протікає при проходженні постійного електричного струму через систему з двох електродів та розчину або розплаву електроліту між ними. При цьому електрична енергія переходить в хімічну.

На процес електролізу впливає:

1.  склад електроліту
2.  природа розчинника
3.  матеріал електродів
4.  режим електролізу (напруга, густина струму, температура і т.д.)

До процесу електролізу використовують два закони Фарадея:

1.  Маси речовин, які виділяють на електродах при електролізі прямо-пропорційні кількості електрики, яка пройшла через розчин електроліту. В загальному вигляді:

, де – еквівалентна маса,  – кількість електрики,  – число Фарадея

         

1.  Однакова кількість електрики виділяє при електролізі на електродах еквівалентні маси різних речовин:

Висновки з закону:

1.  якщо  Кл, то . Це відношення  є електрохімічний еквівалент речовини . Число Фарадея .
2.  при пропусканні 9600 Кл електрики виділяється 1 моль еквівалент будь-якої речовини, тобто .

При практичному проведенні електролізу дійсні витрати струму зазвичай перевищують їх розрахункові значення в наслідок протікання побічних процесів.

Відношення маси дійсно отриманої теоретично називається виходом за струмом:

При електролізі, наприклад водного розчину NaCl на вугільних електродах відбуваються процеси:

–К

На катоді в першу чергу відбувається розрядка найбільш позитивних елементів, тобто які мають більш позитивний потенціал.

Потенціал Na: , а за водою

Так як більш наближений до позитивного потенціал води, на катоді в даному випадку буде відбуватися відновлення води. На аноді в першу чергу окислюються компоненти, які мають менше значення електродного потенціалу.

При електролізі можливі три випадки розрядки катіонів на катоді:

1.  катіони металів від  до  включно на катоді не відновлюється, а замість них відновлюються молекули води;
2.  катіони металів від  до  повністю відновлюються на катоді.
3.  іони металів від  до  відновлюються на катоді разом з молекулами води, тут існує залежність густини струму від перенапруження (поляризації).

Як відомо з рисунку рівноважний потенціал цинкового електроду більш негативний, ніж потенціал водневого електроду, тому при невеликих значеннях густини струму на катоді виділяється тільки водень; при збільшенні значення густини струму на електроді починає виділятися також цинк. При потенціалі  густина струмів виділення водню і цинку однакові, при подальшому зростанні густини струму на катоді виділяється в основному цинк ().

К
		1

1.  Хемотрони.

 

К+

А–

–

–

–

+

–

К+

А–

+

+

+

К+

А–

напівпрониклива

мембрана

К+

А–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

2

2

–

–

–

–

–

+

+

+

–

+

+

–

–

–

–

–

–

–

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

1. тема Сложные системы это составной объект элементы которого можно рассматривать как отдельные системы
2. Банки на рынке ценных бумаг
3. Способ и устройство обнаружения аномалий в сетях.html
4. социализация и сущность понятия
5. Лекция 1 Вводная Значимость опыта Европейского Союза ЕС как нового субъекта международных отношении
6. Государство и право зарубежных стран
7. от нескольких недель до нескольких месяцев
8. тема земельного права как отрасли права
9. Начинается долгий девятимесячный марафон по врачам- сдача многочисленных анализов осмотры измерения высл
10. А Елеуханова С
11. общественный продукт сознание есть не что иное как осознанное бытие
12. Редкие охраняемые виды животных на территории Красноярского края
13. а физические движущиеся машины и механизмы неустойчивые конструкции острые и падающие предметы повышени
14. Однако на самом деле это лишь верхушка айсберга
15. Брестский государственный университет имени А
16. Просвещение в Туркестане в конце XIX-начале XX вв
17. Сестринское дело в педиатрии для специальности 279 01 31 Сестринское дело III курс V семестр 1
18. Реферат на тему- Процедури підпрограми та параметри Розглянемо задачу- довільні значення трьох змінних b
19. Литература - Хирургия (Желтухи)
20. «A Farewell to Arms»

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе