35. Электрохимический ряд напряжений. Уравнение Нернста.

Если расположить металлы в ряд в порядке возрастания величин их стандартных электродных потенциалов, то мы получим ряд напряжений металлов.

Положение металла в этом ряду характеризует его окис­лительно-восстановительную способность в водных растворах. Ионы метал­лов являются окислителями, а металлы в виде простых веществ — восстано­вителями. По мере возрастания электродных потенциалов окислительная ак­тивность ионов металлов в растворе увеличивается, а восстановительная способность соответствующих металлов — простых веществ падает. Это означает, что каждый металл может вытеснять все следую­щие за ним в ряду напряжений металлы из водных растворов их солей» например:

Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Сu

Все металлы, характеризуемые отрицательными электродными потенци­алами, способны вытеснять водород из водных растворов кислот.

Для любого электродного процесса, в общем виде:

Ox + nе ↔ Red

окислительно-восстановитель­ный потенциал определяется уравнением, выведенным в 1889 г. немецким физико-химиком Вальтером Нернстом:

где: φ – потенциал электрода, В;

φ⁰ – стандартный электродный потенциал;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – температура по шкале Кельвина;

n – число переданных электронов;

F – постоянная Фарадея, 96500 Кл/моль ед. заряд.;

[Ox] – концентрация окисленной формы вещества;

[Red] – концентрация восстановленной формы вещества

Из этого уравнения видно, что при концентрации (активности) ионов, равной единице, окислительно-восстановительный или электродный потенциал металла соответствует стандартному.

36. Гальванические элементы. Вычисление эдс. Современные химические источники тока.

Устройства, в которых энергия окислительно-восстановительных реакций преобразуется в электрическую энергию называют гальваническими элементами или химическими источниками тока.

После дости­жения равновесных электродных потенциалов —окисление цинка и восстановление ионов меди на медной пластинке прекратится. Однако если обе пластинки соединить метал­лическим проводником, то вследствие разности потенциалов часть электро­нов с цинковой пластинки перейдет на медную. Это нарушит сложившуюся структуру двойного электрического слоя: потенциал цинка повысится, а меди — понизится. Для восстановления прежнего гетерогенного равновесия на цинковой пластинке вновь начнется окисление цинка с переходом дополнитель­ною количества ионов цинка в раствор, а на медной пластинке — восстановле­ние ионов меди (см. рис.18).

Рис. 18. Гальванический элемент Даниэля-Якоби

Литиевые батареи

Источники тока на базе системы: литий/диоксид марганца (Li/MnO₂)

Элементы Li/MnO₂ с твердым катодом из диоксида марганца и анодом из лития. Электролит – раствор перхлората лития (LiClO₄) в органическом растворителе.

Анод: Li – ē →Li⁺

Катод: Mn⁴⁺ + ē → Mn³⁺

Суммарная реакция при разряде батареи:

2Li + 2MnO₂ → Mn ₂ O ₃ + Li₂О

ЭДС элемента Li/MnO₂ = 3,5В.

Литий-ионные аккумуляторы

(используются в мобильных телефонах и ноутбуках)

Имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение - 3,5-3,7 В.

Анод: - углеродная матрица слоистой структуры. Ионы лития внедренедряются между слоями углерода и располагаются между ними, образуя интеркалаты разнообразных структур.

Катод: соединения оксидов кобальта или никеля с литием (литиевые шпинели).

При зарядке:

Анод (положительный электрод):

LiCoO₂- xē → Li_1-xCoO₂ + xLi⁺

Катод (отрицательный электрод):

С + xLi⁺ + xē → CLi_x

При разрядке:

Анод (отрицательный электрод):

CLi_x – xē → С + xLi⁺

Катод (положительный электрод):

Li_1-xCoO₂ + xLi⁺+ xē → LiCoO₂