ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Химия»
«УТВЕРЖДАЮ»
Заведующий кафедрой «Химия»
Профессор, д.т.н. Ю.Перелыгин
«____»______________ 2012 г.
ТЕКСТ ЛЕКЦИИ №
по дисциплине «Химия»
по специальности 200100 «Приборостроение»
Тема № 6. Окислительно-восстановительные реакции. Основы электрохимии
Занятие № 2. Электродные потенциалы. Гальванический элемент
Текст лекции обсужден на заседании ПМК №__ кафедры «Химия» «___»____________ 2012 г., протокол №_____
г. Пенза
Содержание
Введение
1.Понятие об электродных потенциалах.
2.Измерение электродных потенциалов. Электродный электрод.
3.Факторы, влияющие на величину электродного потенциала. Уравнение Нернста. Стандартный потенциал.
4. Ряд напряжений.
5. Гальванический элемент.
Заключение.
Литература:
Коровин Н.В. Общая химия. Учебник. – М.: Высшая школа, 1998. – с. 264 - 275.
Учебно – материальное обеспечение:
1. Мультимедийный проектор.
2. Гальванический элемент Даниэля-Якоби.
Цель занятия:
Знать: 1.Скачки потенциалов на границе фаз.
2.Электродные потенциалы и ЭДС гальванической цепи.
Ознакомиться: с диффузионным потенциалом и концентрационными цепями.
Организационно-методические указания:
1.Проверить наличие обучаемых и их готовность к занятиям, устранить недостатки.
2.Объявить тему и цель занятия, учебные вопросы, литературу.
3.Обосновать необходимость изучения данной темы на примерах применения гальванических элементов в приборостроении.
4.Рассмотреть учебные вопросы с применением кадров презентации и гальванического элемента Даниэля-Якоби.
5.По каждому учебному вопросу и в конце занятия подвести итоги.
6.В конце занятия выдать задание на самоподготовку.
Введение
В приборах различного типа широко применяются химические источники энергии. Поэтому будущему специалисту в области приборостроения необходимо знать механизм возникновения электрического тока при протекании химических реакций, который лежит в основе работы химических источников тока.
Понятие об электродных потенциалах
Твердый металл представляет собой систему правильно расположенных (в виде решетки) катионов металла, среди которых двигаются полусвободные (то есть не закрепленные около определенных катионов) валентные электроны.
1.2. Процессы, происходящие при погружении металла в воду
Если металлическую пластинку опустить в воду, то катионы металла на поверхности гидратируются полярными молекулами воды и переходят в жидкость.
При этом электроны, в избытке остающиеся в металле, заряжают его поверхностный слой отрицательно. Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла. В результате этого в системе устанавливается подвижное равновесие:
Растворение
Z
n(тв)
– 2е Zn2+(р-р).
Осаждение
При этом поверхность металла заряжается положительно, а раствор у поверхности – отрицательно.
В результате установления электрохимического равновесия образуется двойной электрический слой.
а)
б)
−
−
Рис. 1. Схема процессов, протекающих при погружении в воду цинковой (а) и медной (б) пластинок.
+
+
+
Отметим, что растворение металла – всегда процесс окисления, при этом атомы металла переходят в раствор в виде катионов, оставляя избыточные электроны на поверхности металла.
Способность посылать катионы в раствор у разных металлов выражена неодинаково (например, цинк растворяется легче, чем медь). Эта способность зависит от соотношения между энергией кристаллической решетки металла и энергией гидратации катиона металла.
Энергия кристаллической решетки металла – это энергия, необходимая для удаления катиона металла из кристаллической решетки.
В растворе ионы металла окружены полярными молекулами воды, то есть находятся в гидратированном состоянии. Чтобы вывести катион металла из раствора, необходимо совершить работу, равную энергии гидратации.
Стремление катионов металла переходить в раствор будет тем больше, чем меньше прочность (энергия) кристаллической решетки и чем сильнее удерживаются катионы в растворе водой (то есть чем больше энергия гидратации катиона).
1.3. Процессы, происходящие при погружении металла в раствор собственной соли
Если металлическую пластинку опустить не в воду, а в раствор собственных ионов, может оказаться так, что общая концентрация ионов в растворе станет больше, чем та равновесная концентрация, о которой говорилось выше. Но концентрация ионов металла вблизи его поверхности будет стремиться к равновесной, и поэтому «избыточные» катионы, оказавшиеся вблизи металла, осаждаются на его поверхности (рис.2,б). При этом поверхность металла заряжается положительно, а раствор у поверхности – отрицательно.
а)
б)
−
−
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
−
Рис. 2. Схема процессов, протекающих при погружении цинковой (а) и медной (б) пластинок в растворы собственных солей.
В обоих случаях на границе металл – раствор возникает двойной электрический слой,