Лекция 1. Электродные потенциалы и электродвижущие силы. Характеристика хит

План

1. Электродный потенциал металла

2. Классификация химических источников тока.

3. Электрохимическая характеристика источников тока

1. Электродный потенциал металла.

Электрод – это система, состоящая из двух контактирующих фаз: материала с электронной проводимостью (металла или полупроводника) и ионного проводника (расплава, раствора электролита или твердого электролита).

При погружении металла в твердый раствор его соли между металлической фазой и раствором будет происходить процесс обмена. Кристаллическая решетка металла состоит из положительно заряженных ионов (катионов) и свободных валентных электронов (электронный газ). В отсутствии водного раствора выход катионов металла из решетки металла маловероятен, так как этот процесс требует больших энергетических затрат. При погружении металла в водный раствор его соли полярные молекулы воды, взаимодействуя с катионами металлической решетки на её поверхности, облегчают переход катионов из металла в раствор. Катионы в металлической решетке существенно отличаются от гидратированных катионов этого же металла в растворе. Благодаря гидратации переход ионов раствор (процесс ионизации) становится энергетически выгодным: M + m H₂O = M (H₂O)_mⁿ⁺ + n e^–.

Металл становится заряженным отрицательно, а раствор – положительно. Положительно заряженные ионы из раствора притягиваются к отрицательно заряженной поверхности металла. На границе металл – раствор возникает двойной электрический слой.

– +

– + +

Металл – + + + раствор

– + + +

– + + +

– + +

Рисунок 1.1. Двойной электрический слой на границе раздела фаз металл – раствор.

Между металлом и раствором возникает разность потенциалов, которая называется электродным потенциалом. По мере перехода ионов в раствор растёт отрицательный заряд поверхности металла и положительный заряд раствора, что препятствует окислению металла. Наряду с этой реакцией протекает обратная реакция – восстановление ионов металла до атомов:

M (H₂O)_mⁿ⁺ + n e^– = M + m H₂O.

С увеличением скачка потенциала между электродом и раствором скорость прямой реакции падает, а скорость обратной реакции растет. При некотором значении электродного потенциала скорость прямого процесса равна скорости обратного – устанавливается равновесие:

M + m H₂O ↔ M (H₂O)_mⁿ⁺ + n e^–.

Потенциал, устанавливающийся в условиях равновесия электродной реакции, называется равновесным электродным потенциалом.

Абсолютные значения электродных потенциалов экспериментально определить невозможно, но можно определить разность электродных потенциалов. Поэтому для характеристики электродных процессов пользуются относительными значениями электродных потенциалов. Для этого находят разность потенциалов измерительного электрода и электрода, потенциал которого условно принимается равным нулю.

Величина равновесного потенциала металла зависит от концентрации его ионов в растворе.

Равновесный обратимый потенциал металла в растворе его соли можно теоретически рассчитать по формуле Нернста:

,

Где , - стандартный электродный потенциал в равновесных условиях, n – валентность иона металла, а – активность, эффективная концентрация ионов металла в растворе, моль/л, С – концентрация ионов в растворе, моль/л, f_a – коэффициент активности.

Для разбавленных растворов, где активность мало отличается от концентрации (а ≈ С), в уравнение Нернста активность можно заменить концентрацией.

Стандартным потенциалом металлического электрода называется потенциал этого электрода в растворе собственных ионов с активностью, равной 1моль/л (а = 1 М) при Т = 298 К и давлении р=1 атм для всех компонентов, находящихся в газовой фазе.

Стандартные электродные потенциалы в водных растворах можно расположить в ряд по мере увеличения их значения слева направо. Такой ряд называется рядом стандартных электродных потенциалов. Стандартные электродные потенциалы металлов указывают на меру восстановительной способности атомов металлов и меру окислительной способности ионов металла. Чем более отрицательное значение имеет потенциал металла, тем более сильными восстановительными способностями обладает этот металл, то есть химическая активность металлов возрастает справа налево. И, наоборот, чем более положителен потенциал металлического электрода, тем более сильными окислительными способностями обладают его ионы.