4. Электрохимические процессы. Механизм возникновения электродного потенциала

Электрохимическими называют процессы, в которых происходит взаимопревращение химической и электрической энергии. Различают два типа электрохимических процессов.

1) Процессы, в которых химическая энергия превращается в электрическую. Такие процессы протекают самопроизвольно (G<0), с их помощью можно совершить электрическую работу. Примером процессов первого типа является работа гальванического элемента.

2) Процессы, в которых электрическая энергия превращается в химическую. Эти процессы являются несамопроизвольными (G>0) и протекают под действием внешней разницы потенциалов. Примером процессов второго типа является электролиз.

В дальнейшем будут рассмотрены электрохимические процессы первого типа.

Все электрохимические процессы являются гетерогенными и протекают на электродах. Электрод представляет собой контакт двух проводников. Чаще всего электронный проводник (металл) находится в контакте с ионным проводником (раствором электролита). К такому типу относятся металлические, газовые, окислительно-восстановительные электроды.

Металлический электрод состоит из металлической пластины, которая погружена в раствор соли этого металла. В такой системе протекают два процесса:

• под действием полярных молекул воды ионы металлы из кристаллической решетки переходят в раствор, электроны остаются на пластине;

• ионы металла из раствора соли осаждаются на пластине.

В результате пластина и раствор приобретают противоположные по знаку заряды, возникает двойной электрический слой и разность потенциалов между пластиной и раствором, которую называют электродным потенциалом. При некотором значении разности потенциалов скорости процессов растворения и осаждения ионов металла становятся равными и устанавливается электрохимическое равновесие:

Meⁿ⁺ _р-р + ne_(т) = Me⁰_(т)

Потенциал, установившийся в условиях равновесия электродной реакции, называют равновесным электродным потенциалом.

Таким образом, электродный потенциал возникает за счет обмена заряженными частицами между проводниками. В случае металлического электрода – за счет обмена ионами.

Рис.25.1. Возникновение скачка потенциала на границе металл – раствор соли металла.

5. Гальванический элемент Даниэля-Якоби

Гальванический элемент – это устройство, в котором химическая энергия превращается в электрическую.

Одним из первых был сконструирован гальванический элемент Якоби – Даниэля. Это устройство состоит из цинкового и медного электродов, которые представляют собой пластины из соответствующего металла, опущенные в раствор соли этого металла. Во внешней цепи электроды соединены металлическим проводником, во внутренней цепи - солевым мостиком (или разделены проводящей диафрагмой).

Рис. 25.2. Гальванический элемент Даниэля-Якоби.

При разомкнутой цепи на каждом из электродов устанавливается равновесие и возникает электродный потенциал. Потенциал цинкового электрода будет иметь более низкое значение, чем потенциал медного электрода, поэтому при замыкании цепи электроны по внешнему проводнику будут переходить от цинкового электрода к медному и в системе возникнет электрический ток. В результате равновесия на электродах сместятся: на цинковом электроде усилится процесс окисления, на медном электроде – процесс восстановления.

Электрод, на котором протекает процесс окисления называется анодом (цинковый электрод)

Электрод, на котором протекает процесс восстановления называется катодом (медный электрод)

Используют специальную форму записи гальванического элемента, в которой слева направо указывают анод, поверхность раздела, первый электролит, электролитический ключ, второй электролит, катод и направление движения электронов во внешней цепи.

Таким образом, причина возникновения электрического тока в гальваническом элементе состоит в том, что процессы окисления и восстановления пространственно разделены и переход электронов от восстановителя (Zn) к окислителю (Cu²⁺) происходит по проводнику.