Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Електрохімія і електрохімічні процеси
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:
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:
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.
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:
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:
Схематично:
ЕРС залежить від концентрації кислоти і дорівнює .
При зниженні напруги до акумулятор вважається розрядженим.
ККД ~ 80%
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.
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:
До процесу електролізу використовують два закони Фарадея:
, де – еквівалентна маса, – кількість електрики, – число Фарадея
Висновки з закону:
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:
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 |
||
К+
А–
–
–
–
+
–
К +
А –
+
+
+
К +
А –
напівпрониклива
мембрана
К+
А–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
2
2
–
–
–
–
–
+
+
+
–
+
+
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+