Электрод. Стандарный электродный потенциал. Гальванический элемент
Электрохимия изучает превращения химической энергии окислительно-восстановительных реакций в электрическую и обратно. Всю электрохимию можно разбить на 2 раздела: 1) самопроизвольные процессы, которые реализуются в аккумуляторах, в гальванических и топливных элементах, при коррозионных процессах; 2) не самопроизвольные процессы – это электролиз растворов и расплавов (осаждение металлов, синтез органических и неорганических веществ, перекиси водорода, а также получения газов (Н2, О2, С12).
Электрод – это металл или другой токопроводящий материал, погруженный в раствор электролита. Например, цинковая пластина, опущенная в раствор сульфата цинка ZnSO4, или медная, - в раствор CuSO4.
В данном случае металл и раствор содержат одинаковые атомы и ионы (катионы металла). В металле они находятся в узлах кристаллической решетки, а между ними перемещаются свободные электроны, полностью компенсирующие заряд катионов. В растворе ионы металла гидратированы - связаны с молекулами воды.
При погружении металлической пластины в раствор, ионы металла расположенные в поверхностном слое, притягивают полярные молекулы воды, вырываются ими из кристаллической решетки, переходят в раствор и гидратируются, одновременно под действием сил кристаллической решетки происходит обратный процесс. В зависимости от природы металла и концентрации раствора в момент погружения металла в раствор скорость одного из этих процессов больше. Со временем на границе металл-раствор устанавливается равновесие:
Me + m H2O ↔Men+∙ mH2O + nē, (1)
где Me – атом металла, Men+∙ mH2O – гидратированный ион металла в растворе, n- число электронов, (совпадает с величиной зарядом иона).
Для активных металлов (например, цинк) скорость перехода катионов в раствор выше скорости обратного процесса, что создает избыток электронов в металле. Металл заряжается отрицательно и притягивает к себе из раствора положительные ионы. На границе металл – раствор образуется так называемый двойной электрический слой (ДЭС). ДЭС можно уподобить плоскому электрическому конденсатору, одной из пластин которого является поверхность металла, другой раствор электролита. (рис.1?).
Вследствие разделения зарядов в ДЭС между металлом и раствором возникает электрический потенциал, который называется электродным. Потенциал, соответствующий состоянию равновесия на поверхности электрода называется равновесным.
За стандартный электродный потенциал электрода (Е0) принимают ЭДС гальванического элемента, составленного из стандартного водородного электрода и данного электрода.
Величина электродного потенциала зависит от химической природы металла, концентрации ионов металла в растворе, температуры и числа электронов, принимающих участие в электродном процессе.
Зависимость равновесного электродного потенциала от указанных выше факторов определяется уравнением Нернста:
,
где E0
– стандартный электродный потенциал,
В; (2)
n – количество эквивалентов металла, совпадающее с числом электронов, участвующих в электродном процессе; R = 8,31 Дж/моль.К – универсальная газовая постоянная; Т – температура, К; F = 96500 Кл/моль – постоянная Фарадея; С – концентрация (активность) катионов металла в растворе, моль/л;
При стандартных условиях (Т = 298 К), с учетом численных значений R и F, а также при замене натурального логарифма десятичным, уравнение Нернста принимает вид:
(3)