Тема 12: электрохимические процессы

 

Электрохимия – раздел химии, изучающий химизм появления электрического тока в результате окислительно-восстановительных реакций на электродах.

Электрохимию делят на два раздела:

а) учение о химизме превращения химической энергии в электрическую (в гальванических элементах);

б) учение о действии электрического тока на химические процессы (электролиз).

Рассмотрим химические источники тока.

Простейшая электрохимическая система состоит из двух электродов (проводник I рода) и ионного проводника (проводник II рода) между ними.

Электроды замыкаются металлическим проводником. Ионным проводником служат растворы или расплавы электролитов, а также твердые электролиты.

Электродами называют проводники, имеющие электронную проводимость (проводники I рода) и находящиеся в контакте с ионным проводником. Для обеспечения работы системы электроды соединяют друг с другом металлическим проводником, называемым внешней цепью электрохимической системы.

 

1.     Принцип работы гальванического элемента (ХИТ).

2.      Электродные потенциалы, ряд напряжений металлов.

3.      Концентрационные цепи.

 

  

  

Тема 13: электролиз

 

1. Основные понятие и особенности электролиза.

2. Отдельные примеры электролиза растворов и расплавов солей.

3. Применение электролиза.

4. Закон Фарадея. Решение задач.

 

Основные понятие и особенности электролиза.

Совокупность окислительно-восстановительных процессов, протекающих на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита, называется электролизом.

Ячейка для электролиза, называемая  электролизером, состоит из двух электродов и электролита.

Электрод, на котором идет реакция восстановления (катод), у электролизера подключен к отрицательному полюсу внешнего источника тока. Электрод, на котором идет реакция окисления (анод), подключен к положительному полюсу внешнего источника тока.

Процессы, происходящие у анода, зависят как от вещества, из которого сделан анод, так и от электролита.

Аноды, применяемые при электролизе, могут быть растворимыми и инертными. В качестве инертных анодов применяются золото и платиновые металлы, а также графит. При рассмотрении электролиза водных раст-воров нужно учитывать, что кроме ионов электролита, во всяком водном растворе имеются еще ионы являющиеся продуктом диссоциации воды (Н⁺, ОН^-).

Таким образом, у катода могут разряжаться как катионы электролита, так и катионы водорода. А у анода происходит разряд как анионов электролита, так и гидроксид - ионов.

Из нескольких возможных процессов – будет протекать тот, осуществление которого сопряжено с минимальной затратой энергии. Это означает, что на катоде будут  восстанавливаться ионы, имеющие наибольший электродный потенциал, а на аноде будут окисляться ионы с наименьшим электродным потенциалом.

Последовательность электродных потенциалов на катоде происходит в порядке от больших потенциалов к меньшим (табл. «Ряд напряжений металлов»).

При этом возможны три случая: 

1. Катионы металлов, имеющих малую величину стандартного потенциала (от Li по Al), не восстанавливаются на катоде, а вместо них восстанавливается  водород воды: 2Н₂О + 2ē → Н₂ + 2ОН^- . Металлы могут быть получены электролизом расплавов их солей, в которых ион Н⁺отсутствует.

2. Катионы металлов, потенциалы которых мало отличаются от потенциала водорода (от Mn²⁺  до Н⁺), при электролизе восстанавливаются одновременно с восстановлением Н⁺ воды.

Необходимо учесть, что при рН=7 φ 2Н⁺/Н₂ понижается до -0,41В, что дает возможность многим катионам металла восстанавливаться на катоде.

3. Катионы металлов, потенциал которых > φ 2Н⁺/Н₂ (это Cu²⁺, Ag⁺, Hg²⁺, Au³⁺ и платиновые металлы) при электролизе практически полнос-тьювосстанавливаются на катоде.

При рассмотрении анодных процессов следует учесть, что на аноде окисляется ионы с наименьшим потенциалом.

1) При электролизе водных растворов солей бескислородной кислоты у анода окисляются анионы (Cl^-, I^-, Br^-, S^2-) до свободного состояния.

2) При электролизе водных растворов солей кислородсодержащих кислот, а также фторидов, происходит окисление воды с выделением кислорода. 2Н₂О - 4ē → О₂ + 4Н⁺. В зависимости от рН среды этот процесс протекает по разному: в щелочной среде 4ОН^- - 4ē → О₂ + 2Н₂О

3) В случае растворимого анода его материал в ходе электролиза может окисляться. Это происходит в том случае, если потенциал металлического анода имеет более отрицательное значение, чем потенциал ионов ОН^- или других веществ, присутствующих в растворе.

Если потенциал металлов или другого  проводника первого рода, используемого в качестве анода, имеет более положительное значение, чем ОН^-или другие анионы, то протекает электролиз с инертным анодам (Au, Pt, графита).

 

в начало