АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Электрохимия

Часть I. Гальванические цепи Учебное пособие по общей химии

Астрахань

2006

Электрохимия. Ч. I: Гальванические элементы: Учеб. пособие по общей химии / Н.Н. Старкова, Ю.И. Рябухин / Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань, 2006. – 35 с.

Содержит теоретический материал в объёме, соответствующем Государственному образовательному стандарту Высшего профессионального образования дисциплины "Химия", а также примеры расчётов и задачи для самостоятельного решения, нацеливающих студентов на осознанную проработку основ раздела электрохимии "Гальванические элементы".

Предназначено для студентов, изучающих дисциплины "Химия", "Общая и неорганическая химия", рекомендуется студентам химико-технологического профиля.

Рис. 7, табл. 1, библиогр. 5 назв.

Печатается по решению кафедры "Общая, неорганическая и

аналитическая химия". Протокол № 9 от 14. 04. 2006 г.

Рецензент: Почётный профессор АГТУ Е.Е.Кравцов

© Авторы, 2006

Введение

Для проведения многих важных химических процессов необходима электрическая энергия, другие же процессы, наоборот, могут дать её. Поскольку электричество играет важную роль в современной цивилизации, интересно ознакомиться с той областью химии, которая называется электрохимией и занимается изучением закономерностей, связанных с взаимным превращением химической и электрической форм энергии.

Зна­комство с электрохимией позволяет получить представление об устройстве и действии электрических батарей, самопроизволь­ности протекания окислительно–восстановительных реакций, электроосаждении металлов для получения металлических покрытий и коррозии металлов. Поскольку электрический ток связан с перемещением электрических зарядов, в частности электронов, в электрохимии вни­мание сосредоточено на окислительно-восстановительных реакциях, в которых электроны переносятся от одного веще­ства к другому.

Становление электрохимии как науки обычно связывают с именами Л. Гальвани и А. Вольта.

Луиджи Гальвани (1737 – 1798 гг.) – итальянский анатом и физиолог, один из основателей учения об электричестве, основоположник экспериментальной электрофизиологии. Первым исследовал электрические явления при мышечном сокращении (“животное электричество”). Обнаружил возникновение разности потенциалов при контакте металла с электролитом. От его имени часть сложных слов “гальвано”, например гальванометр, гальванотехника означает отношение к “гальваническому току” (старинное название постоянного тока).

Электрохимия – наука, изучающая физико-химические процессы, которые сопровождаются появлением электрического тока (химические источники тока, процессы коррозии), или, наоборот, возникают под действием электрического тока на химические соединения (процессы электролиза).

Окислительно-восстановительные реакции. В окислительно-восстановительных реакциях окисление определяют как повышение степени окисления (отщепление электронов), а восстановление как уменьшение степени окисле­ния атома (присоединение электронов).

Алессандро Вольта (1745 – 1827 гг.) – итальянский физик и физиолог, один из основателей учения об электричестве. С ранних лет самостоятельно изучал естественные науки. Профессор университета в Павии, директор филосовского университета в Падуе. В 1799 г. создал первый химический источник постоянного электрического тока (вольтов столб), который впоследствии стал широко применяться в процессах электролиза.

Веще­ство, вызывающее окисление, принято считать окислителем. Присоединяя электроны, окислитель восстанавливается. Вещество, которое отдаёт электроны – окисляется, называется восстановителем.

Хотя окисление и восстановление должны происходить одновременно, часто удоб­но рассматривать их как отдельные процессы.

Например, реакцию

Sn²⁺ + 2Fe³⁺ = Sn⁴⁺ + 2Fe²⁺

можно представить как совокупность двух процессов: окисления иона Sn²⁺ и восстановления иона Fe³⁺, описываемых следующими уравнениями:

Sn²⁺ = Sn⁴⁺ + 2ē

2Fe³⁺ + 2ē = 2Fe²⁺.

Уравнения, описывающие отдельно процессы окисления и восстановления, назы­ваются полуреакциями. Из приведённых уравнений видно, что число электронов, теряе­мых в процессе окисления равно числу электронов, приобретаемых в восстановительной полуреакции. Если это условие выполнено, то при суммировании полуреакций получается стехиометрически сбалансированное полное уравнение окислительно-восстановительной реакции.

Электрохимические процессы. В отличие от обычных окислительно-восстановительных реакций электрохимические процессы имеют ряд особенностей.

1. Электрохимические процессы протекают на границе раздела проводников электрического тока I и II рода и сопровождаются переходом через эту границу заряжённых частиц – ионов.

При этом проводниками I рода могут быть различные металлы и сплавы, химические соединения, обладающие электронной проводимостью (например, оксиды), а также полупроводниковые материалы; проводниками II рода выступают различные системы – растворы и расплавы электролитов, а также твёрдые электролиты.

Электролиты – вещества, в растворах или расплавах которых в заметной концентрации присутствуют ионы, обусловливающие прохождение электрического тока.

Растворы электролитов часто называют просто электролитами. Систему, состоящую из проводника I рода, находящегося в контакте с электролитом (раствором или расплавом), называют электродом.

Часто под электродом понимают лишь один проводник I рода (пластина металла или другого материала).

2. Процессы окисления и восстановления, происходящие в окислительно-восстановительных реакциях при непосредственном контакте окислителя и восстановителя, в электрохимических процессах пространственно разделены: восстановление осуществляется на катоде, окисление – на аноде.

3. Движение электронов в электрохимических процессах осуществляется в одном определённом направлении, при этом путь электронов оказывается "продолжительным", поскольку окислитель и восстановитель непосредственно друг с другом не контактируют.