Тема 1.8 электрохимия

Электрохимия – это раздел физической химии, в котором изучаются закономерности взаимных превращений химической и электрической форм энергии.

В электрохимии изучаются свойства растворов электролитов, ионные равновесия, электродные процессы.

Электропроводность – это способность вещества проводить электрический ток (G). Является величиной, обратной электрическому сопротивлению.

Различают:

1) удельную электропроводность;

2) эквивалентную электропроводность;

G=1/R (53)

R=*S/l

где, R – сопротивление проводника, Ом;

S – площадь поперечного сечения проводника, м²;

l – длина проводника, м;

 - удельная электропроводность, См/м;

=G*l/S (54)

Удельная электропроводность определяется экспериментально.

Эквивалентная электропроводность является характеристикой электролитов в растворах.

Формула Нернста:

(55)

где φ₁ – электродный потенциал,

φ⁰_i – нормальный потенциал данного электрода,

F – число Фарадея,

r_i – степень окисления-восстановления ионов,

a_i – активность ионов в растворе.

Вопросы для самоконтроля:

1. Особенности проводников первого и второго рода.

2. Удельная электропроводность, методы ее измерения.

3. Эквивалентная электропроводность. Закон Кольрауша.

4. Понятие об электродном потенциале. Уравнение Нернста.

5. Электрохимический ряд напряжений. Водородный, электрод.

6. Электродвижущая сила гальванического элемента, принцип действия гальванического элемента на примере элемента Даниэля.

7. Что называется концентрационными элементами? ЭДС концентрационных элементов.

8. Электролиз. Основные понятия. Законы Фарадея.

Раздел 2. Основы коллоидной химии

Тема 2.1. Дисперсные системы

Задача коллоидной химии – изучение гетерогенных систем с сильно развитой поверхностью раздела фаз. Такие системы называются дисперсными. Одна из фаз находится в сильной степени размельчения и называется дисперсной фазой. Окружающая её среда называется дисперсной средой.

Основные способы получения дисперсных систем: диспергирование и конденсационные методы.

Диспергирование осуществляется в различных мельницах (шаровые, коллоидные), методом, использующим ультразвук. Обычно диспергирование осуществляется в присутствии ПАВ (поверхностно-активных веществ), что придаёт дисперсным системам устойчивость.

Конденсационные методы разделяются на физические (например, образование тумана в воздухе) и химические. Химические методы основаны на использовании реакций, в результате которых образуются малорастворимые или нерастворимые соединения. Для этих целей используются разбавленные растворы:

AgI_(p)+KCl_(p)→KI(p)+AgCl(кp)

Так можно получить золь хлорида серебра.

Очистка дисперсных систем осуществляется диализом, основано на использовании полупроницаемых перегородок, которые пропускают растворенные низкомолекулярные вещества, но не пропускают коллоидные частицы.

В дисперсных системах необходимо выделить следующие группы свойств: молекулярно-кинетические, оптические и электрические.

Молекулярно-кинетические свойства обусловлены воздействием среды на дисперсную фазу и проявляются в таких особенностях, как осмос, диффузия, броуновское движение, седиментация. Седиментация – следствие термодинамической неустойчивости дисперсных систем и проявляется в оседании частиц дисперсной фазы под действием силового поля (гравитационного, центробежного, электромагнитного и т.д.).

Особенность оптических свойств дисперсных систем проявляется в склонности дисперсной фазы из-за малого размера частиц к светорассеянию. Светорассеяние подчиняется закону Релея и наибольшему светорассеянию подвергаются коротковолновые составляющие видимого света (фиолетовые, синие, голубые, зеленые лучи). Этим объясняется то, что дисперсная система в проходящем свете имеет, например, красное окрашивание, а в боковом – голубое, матово-голубое. Этим объясняется явление опалесценции в золях и эффект Тиндаля (свечение золя в виде конуса при боковом освещении на темном фоне). Светорассеяние позволяет определить концентрацию, размеры и форму частиц дисперсной фазы при помощи нефелометра и ультрамикроскопа.

На поверхности дисперсной фазы при её контакте с дисперсной средой в результате избирательной адсорбции ионов или диссоциации поверхностных молекул возникает избыточный заряд. Этот заряд компенсируется противоионами из среды жидкости. Существованием этих зарядов объясняется направленное движение частиц дисперсной фазы (электрофорез) и дисперсионной среды в электрическом поле. Оба эти явления широко применяются в практике.

В настоящие время принята мицеллярная теория строения дисперсных систем.

По этой теории в состав мицеллы входят:

1. Ядро кристаллической структуры или аморфное состояние,

2. Адсорбционный слой ионов (обычно на ядре адсорбируются ионы, имеющие элементы или ионы, входящие в состав ядра),

3. Адсорбционный слой противоионов,

4. Диффузный слой противоионов.

Часто (1-2-3) называют гранулой или коллоидной частицей. Она имеет такой же заряд как адсорбционный слой ионов.

Проблема устойчивости коллоидных систем – одна из центральных в коллоидной химии. Различают два вида устойчивости коллоидных систем:

1. Седиментационная (устойчивость к оседанию дисперсной фазы под действием гравитационного поля),

2. Агрегативная устойчивость (устойчивость к слипанию частиц).

При размере дисперсных частиц меньше 10^-6 м систему можно считать седиментационно устойчивой.

Можно выделить следующие правила коагуляции:

1. Любой электролит может вызвать коагуляцию,

2. Коагулирующие действие оказывает лишь тот ион электролита, заряд которого противоположен по знаку заряду гранулы,

3. При повышении заряда иона-осадителя на единицу его коагулирующая способность усиливается на порядок (правило Шульце-Гарди).

Микрогетерогенные системы как правило непрозрачны. Все эти системы широко распространены. к ним относятся суспензии, эмульсии, пены и аэрозоли.

Суспензии – дисперсные системы с жидкой дисперсной средой и твердой дисперсной фазой. Похожи на золи, но отличаются значительным размером частиц.

Эмульсии – дисперсные системы, состоящие из жидко дисперсной среды и жидкой дисперсной фазы.

Пены – грубые высококонцентрированные дисперсные системы, состоящие из жидкой дисперсной среды и газообразной дисперсной фазы.

Аэрозоли – это дисперсные системы, в которых жидкие или твердые (кристаллические) частицы дисперсной фазы распределены в объёме газа.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что изучает коллоидная химия?

2. Классификация дисперсных систем по размеру частиц, по агрегатному состоянию.

3. Получение дисперсных систем.

4. Очистка дисперсных систем диализом.

5. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем.

6. Оптические, электрические свойства дисперсных систем.

7. Влияние ПАВ на устойчивость дисперсных систем.