- •Модуль 4. Окисно-відновні реакції та електрохімічні процеси
- •Розділ 4.1. Окисно-відновні реакції
- •Розрахунок ступеня окиснення
- •Найважливіші окисники й відновники
- •Класифікація окисно-відновних реакцій
- •1. Міжмолекулярні окисно-відновні реакції. Окисник і відновник знаходяться в різних речовинах; обмін електронами в цих реакціях відбувається між різними атомами чи молекулами:
- •Розділ 4.2. Електрохімічні процеси
- •4.2.1. Електрохімічні поняття. Електродний потенціал
- •4.2.2. Хімічні джерела електричної енергії
- •4.2.2.1. Гальванічні елементи
- •4.2.2.2. Акумулятори
- •4.2.2.3. Паливні елементи
- •Розділ 4.3. Електроліз
- •Розділ 4.4. Корозія металів. Методи захисту від корозії
- •Значення фактора Піллінга-Бедвордса для деяких металів
- •Захист металів від корозії
4.2.2. Хімічні джерела електричної енергії
4.2.2.1. Гальванічні елементи
Спеціальні пристрої, в яких на електродах відбуваються cамодовільні окисно-відновні процеси і які створюють різницю потенціалів, а отже можливість напрямленого переміщення електронів від одного електрода (негативного) до другого (позитивного), тобто електричний струм, називають хімічними джерелами струму (ХДС). При цьому хімічна енергія окисно-відновної реакції перетворюється на електричну. До таких пристроїв відносять гальванічні та паливні елементи, акумулятори.
Гальванічний елемент складається із двох електродів – анода і катода, занурених у розчин або розплав електроліту, електролітичного ключа (сольовий місток) і зовнішньої схеми (металічні провідники та вимірювач напруги чи сили струму).
У гальванічних елементах окисно-відновні реакції протікають на поверхні електродів. Процеси окиснення і відновлення просторово розділені. Окиснення протікає на аноді, відновлення – на катоді. У гальванічному елементі анодом є електрод, потенціал якого менший, ніж потенціал катода. Анод має заряд "–", катод – заряд "+".
Максимальну напругу гальванічного елемента, яка відповідає оборотному процесу окисно – відновної реакції на його електродах, називають електрорушійною силою – Е (ЕРС) елемента. Якщо реакція здійснюється за стандартних умов, тобто якщо всі речовини, які беруть участь у реакції, перебувають у своїх стандартних станах, то ЕРС, що досягається, називають стандартною ЕРС цього елемента. ЕРС гальванічного елементу обчислюють як різницю між потенціалами катода і анода :
. (4.6)
Прикладом гальванічного елемента є мідно-цинковий елемент Даніеля-Якобі, що складається із цинкової та мідної пластинок, занурених у розчини сульфатів цинку та купруму (ІІ) з молярними концентраціями 1 моль/л (рис. 15).
Цинковий електрод – анод, на якому проходить реакція окиснення: Zn0 = Zn2+ + 2ē.
Мідний електрод – катод, на якому проходить реакція відновлення: Cu2+ + 2ē = Cu0
Сумарне рівняння процесу в йонному вигляді:
Zn0 + Cu2+ = Cu0 + Zn2+,
або в молекулярній формі: Zn + CuSO4 = Cu + ZnSO4.
Схематичний запис гальванічного елемента виглядає таким чином: (–) Zn ZnSO4 CuSO4 Cu (+).
За стандартних умов ЕРС гальванічного елемента (додаток 8):
В.
Рис. 15. Схема гальванічного елемента Даніеля-Якобі
Концентраційні елементи – хімічні джерела струму, побудовані з однакових електродів, занурених у розчини одного і того самого електроліта, що різниться лише концентрацією. Наприклад:
(–) Cu CuSO4 CuSO4 Cu (+).
0,001моль/л 0,1моль/л
Катодом таких елементів буде електрод, занурений в електроліт з більшою концентрацією, а анодом – електрод, занурений в електроліт з меншою концентрацією.
Поляризація – це зміна величини електродного потенціалу катода чи анода через зміну стану поверхні електрода – утворення нерозчинних солей, оксидних і газових плівок, які виникають на поверхні електрода при роботі гальванічного елемента. Наприклад, для гальванічного елементу: Zn | H2SO4 | Cu на катоді відбувається процес: 2H+ + 2ē → H2↑.
Хімічна поляризація в цьому випадку обумовлена утворенням газової плівки водню, що ізолює поверхню катода від розчину електроліту, внаслідок чого зменшується ЕРС.
Концентраційна поляризація електродів виникає за рахунок зміни концентрації йонів у поверхневому шарі електрода, що впливає на величину потенціалу електрода. Наприклад, при роботі мідно-цинкового гальванічного елемента (Zn │ZnSO4 ║СuSO4 │ Cu) зростає концентрація йонів Zn2+ біля анода і зменшується концентрація йонів Сu2+ біля катода, що призводить до зближення потенціалів катода і анода, тобто до зменшення ЕРС. Усунення або зниження поляризації називається деполяризацією. Концентраційна поляризація зменшується за рахунок перемішуванням електроліту, а хімічна –введенням деполяризаторів.