Электрохимические цепи

Из обратимых электродов составляют обратимые электрохимические цепи (пары, гальванические элементы). Различают два вида электрохимических цепей - химические и концентрационные.

Химические цепи. Электрическая энергия в данной цепи возникает за счет химической реакции.

Пример:

-Pb|Pb²⁺||Ag⁺|Ag+

;

.

Ур-я потенциалопределяющих р-ций:

Pb↔Pb²⁺+2e;

Ag⁺+e↔Ag.

Суммарная р-ция в цепи:

Pb + 2Ag⁺↔Pb²⁺+2Ag.

ЭДС данной химической цепи:

,

где .

Важное теоретическое и практическое значение имеет водородно-кислородная цепь

-Pt,H₂|H⁺,OH^-|O₂,Pt+

Ур-я электродных процессов и суммарной р-ции в элементе:

2Н₂↔4Н⁺+4е

О₂+2Н₂О+4е↔4ОН^-

2Н₂+О₂+2Н₂О↔4Н⁺+4ОН^-

или 2Н₂+О₂↔2Н₂О

ЭДС цепи

,

где Р_О2 и Р_Н2- относительные парциальные давления кислорода и водорода на электродах.

Если а_Н2О=1 и учитывая, что а_Н+∙а_ОН-=К_W

.

Химические цепи имеют большое практическое значение. Разные химические источники тока, такие как гальванические элементы (первичные) и аккумуляторы (вторичные) являются химическими цепями. Н-р, водородно-кислородная цепь является одним из видов топливных гальванических элементов, в которых протекает реакция окисления топлива или продуктов его переработки (водорода, оксида углерода, водяного газа и др.). КПД таких элементов выше (70-80%) по сравнению с КПД тепловых установок (30-40%).

Рассмотрим вторичный источник химического тока свинцовый (кислотный) аккумулятор.

-Pb | H₂SO₄ | PbO₂, Pb+.

Токообразующие реакции на электродах:

Pb+SO₄^2-↔PbSO₄+2e;

PbO₂+4H⁺+SO₄^2-↔PbSO₄+2H₂O.

Cуммарная реакция в аккумуляторе:

Pb+ PbO₂+2H₂SO₄↔2PbSO₄+2Н₂О.

Когда система работает как источник тока, реакция идет слева направо, на электродах образуется PbSO₄ . Электроды становятся одинаковыми – электродами II рода SO₄^2-| PbSO₄, Pb, ЭДС падает и аккумулятор разряжается. Заряжают его, пропуская ток в обратном направлении. Повторение циклов разрядки и зарядки позволяет использовать аккумулятор длительное время.

Концентрационные цепи.

Это элементы, составленные из двух одинаковых полуэлементов и различающиеся:

1) концентрацией ионов в растворе;

2) концентрацией металла в амальгаме или сплаве;

3) давлением газа, насыщающего инертный электрод.

1) –Cu|Cu²⁺||Cu²⁺|Cu+

a₁ a₂

a₁<a₂: Если a₁>a₂:

. .

2) –Hg, [Cd] | Cd²⁺| Hg, [Cd]+

a₁ a₂

a₁<a₂:

.

В амальгамных элементах положительным является электрод, у которого активность металла в амальгаме (сплаве) меньше, т.к. именно на нем осаждается металл из раствора.

3) -Pt, H₂| H⁺| H₂, Pt+

P₁ P₂

a₁=a₂, P₁>P₂:

.