Тема електрохімія

7.1 Електрохімічні процеси

7.2 Електродні потенціали

7.3 Стандартний водневий електрод

7.4 Стандартні електродні потенціали металів у водних розчинах

7.5 Рівняння Нернста

7.6 Класифікація електродів

7.7 Потенціали газових електродів

7.8 Поляризація і перенапруження

7.9 Гальванічні елементи

7.10 Закони Фарадея

7.11 Електроліз

7.11.1 Катодні процеси

7.11.2 Анодні процеси

7.1 Електрохімічні процеси

До електрохімічних явищ відносять ті хімічні реакції, які безпосередньо зв’язані з напрямленим переміщенням електричних зарядів.

Процеси взаємного перетворення хімічної і електричної енергії називають електрохімічними процесами.

Їх можна уявно розділити на два розділи: 1) вчення про перетворення хімічної енергії в електричну (хімічні джерела електроенергії); 2) вчення про хімічну дію електричного струму (електроліз). Розглянемо основні поняття першого розділу.

7.2 Електродні потенціали

Кристалічна гратка металів складається з позитивно заряджених йонів Meⁿ⁺ та нейтральних атомів Me, розташованих у її вузлах, між ними переміщуються успільнені електрони. Між ними існує рівновага:

Me ↔ Meⁿ⁺ + ne

Для відриву йону металу від кристалу у вакуумі, чи на повітрі, треба затратити велику кількість енергії. Тому цей процес малоймовірний.

При зануренні металу в розчинник, або розчин солі цього металу починається складна взаємодія поверхні металу з компонентами розчину. Під дією полярних молекул води, чи іншого розчинника йони металу відриваються і переходять у розчин у вигляді гідратованих або сольватованих йонів. Для водного розчину цей процес можна виразити рівнянням:

Враховуючи процес відмічений раніше можна записати:

(7 .1)

Надлишок вільних електронів створює негативний заряд на поверхні металу, а розчин стає заряджений позитивно. Позитивно заряджені йони із розчину притягуються до негативно зарядженої поверхні металу. На границі метал-розчин виникає подвійний електричний шар (ПЕШ).

По мірі переходу йонів в розчин зростає негативний заряд поверхні, що перешкоджає цьому процесу. Поряд із цією реакцією протікає оборотна реакція:

(7.2)

При деякому значенні електродного потенціалу встановиться рівновага:

­^– (7.3)

Рисунок 7.1а, б. Виникнення подвійного електричного шару: а) – активний метал; б) – малоактивний метал.

Потенціал, який встановлюєт­ься в умовах рівноваги електродної реакції, називається рівноважним електродним потенціалом. Шар йонів (катіонів), який прилягає до негативно зарядженої пластини металу, називається адсорбційним. Далі від пластинки, де концентрація йонів поступово зменшується, але зберігається певна орієнтація їх відносно неї, утворюється дифузійний шар.

Чим активніший метал, тим легше переходять його йони у розчин. А дуже активні метали, наприклад лужні, чи лужноземельні, навіть розкладаються водою, причому рівновага (7.3) повністю зміщується вправо.

При зануренні малоактивного металу у розчин його солі поверхня металу заряджається позитивно (рис.7.1,б). Це спостерігається тоді, коли концентрація йонів металу, яка утворюється внаслідок занурення металу у воду, мала. Оскільки для малоактивних металів (срібло, золото тощо) ця рівноважна концентрація дуже мала, то, як правило, у розчині його солі поверхня пластинки металу заряджається позитивно. Коли потенціал на пластинці рівний нулю, то говорять про потенціал нульового розчину.

Величина різниці потенціалів на межі метал-розчин залежить від

• активності металу (природи металу);

• активності (концентрації) йонів у розчині;

• температури.

Отже, при зануренні металевої пластинки в розчин власної солі на місці контакту металу з розчином виникає стрибок потенціалу, величина і знак якого залежать від хімічної природи металу та активності його йонів у розчині (рис.7.1).

Провідник (метал), занурений у розчин електроліту, називається електродом.

Схематично електроди записують так:

Сu | Сu²⁺, Mg | Mg ²⁺

Різниця потенціалів (стрибок потенціалу), що виникає на межі поділу електрод - розчин, називається електродним потенціалом