1.2. Энергетическая характеристика перехода ионов в растворах при взаимодействии металла с электролитами
При взаимодействии металла с водой происходит его растворение или разрушение, так как атомы кислорода и водорода воды образуют полярные молекулы с двумя полюсами («+» и «-»), что приводит к возникновению силового электрического поля в воде. Молекулы воды внедряются в кристаллическую решетку металла, на его поверхности происходит гидратация, и переходя в воду с образованием ион-атома, несущего положительный заряд. При этом оставшиеся в металле электроны носят отрицательный заряд. Ион-атом окружается молекулами воды, происходит образование, у поверхности металла, двойного электрического слоя и возникает разность потенциалов между поверхностью металла и слоями раствора, прилегающими к нему.
Диссоциация молекул вещества под действием дипольных молекул воды называется гидратацией, а перешедшие в раствор ионы вещества, окруженные молекулами воды (рис. 1.3), называются гидрат-ионами.
Рис. 1.3. Гидратация растворенных в воде ионов поваренной соли (NаСl)
В момент погружения металла в электролит начинается реакция растворения (ионизации), связанная с гидратирующим действием молекул воды:
(1.3)
где n - валентность атомов металла, е - отдаваемый электрон.
При ионизации нейтрального атома металла на поверхности металла (после ухода в раствор иона Меn+) остается n зарядов, е отрицательной полярности, а электролит соответственно приобретает n зарядов, е положительной полярности.
По мере ухода ионов в раствор отрицательный заряд поверхности металла будет возрастать. Приграничные слои раствора, насыщаясь ионами металла, начнут приобретать все более положительный заряд. При этом возникнет разность потенциалов между металлом и раствором, ведущая к возникновению реакции восстановления (кристаллизации) металла и препятствующая дальнейшему растворению металла:
(1.4)
Наконец, может наступить момент, когда скорости растворения и восстановления металла сравняются - наступит состояние динамического равновесия, т.е. количество ионов металла в растворе и соответственно электронов в металле будет оставаться постоянным:
(1.5)
Таким образом, граница раздела «металл - раствор» будет представлять собой своеобразный конденсатор (рис. 1.4), называемый двойным электрическим слоем.
Рис. 1.4. Двойной электрический слой на границе «металл - электролит»:
«+» - положительно заряженные ионы металла,
«» - отрицательно заряженные электроны
Образование двойного электрического слоя происходит почти мгновенно. Однако установление динамического равновесия не означает, что процессы растворения и восстановления металла прекратились. Состояние равновесия представляет собой такое состояние, когда скорости реакций ионизации и кристаллизации равны – то есть число атомов металла, превратившихся в ионы, в течение определенного промежутка времени равно числу ионов, кристаллизующихся на металле за такой же промежуток времени. В этом случае устанавливается равновесие между разностью потенциалов в слое и разностью между свободными энергиями ионов металла в металле и в растворе. Это состояние соответствует равновесному электродному потенциалу и зависит от свойств ионов и их концентрации в растворе.