18.Электродные потенциалы.Гальванический элемент

Электрод – часть проводника (обыкновенно в виде пластинки), через которую электрический ток вводится в жидкость или газ. Положительный электрод – анод, отрицательный электрод – катод.

Из электродов и электролита может быть составлена система, в которой химическая энергия окислительно-восстановительных процессов превращается в электрическую энергию. Такую систему называют гальваническим элементом (названного в честь Луиджи Гальвани). Сила, обусловливающая перемещение в ней электрических зарядов, называется электродвижущей силой(ЭДС). Электродвижущие силы принято представлять в виде разности двух потенциалов, каждый из которых отвечает полуреакции, протекающей на одном из электродов:

Е = j₁ – j₂.

Потенциалы на электродах j₁ и j₂ называют электродными потенциалами.

Электродные потенциалы возникают вследствие взаимодействия металла с электролитом. При погружении металлического электрода в водный раствор его соли между поверхностью электрода и раствором будет происходить процесс обмена. Кристаллическая решетка металла состоит из положительно заряженных ионов (катионы) и свободных валентных электронов. При погружении металла в водный раствор его соли полярные молекулы воды, взаимодействуя с катионами металлической решетки (гидратация), облегчают переход катионов металла в раствор. Благодаря гидратации переход ионов в раствор (процесс ионизации) становится энергетически выгодным:

 

Me + Н₂О ® Meⁿ⁺ Н₂О + ne,

 

где Мe – металл, (Meⁿ⁺ × Н₂О) – гидратированный катион металла;

Электродный потенциал, измеренный в стандартных условиях (Т = 293 К, р = 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), С = 1 моль/л) в сравнении с водородным электродом, называют стандартным электродным потенциалом и обозначают Е⁰. По величине Е⁰ все металлы можно расположить в ряд, называемый рядом напряжений металлов или электрохимическим рядом напряжения металлов (таблица 5.1).

Электрохимический ряд напряжений характеризует свойства металлов в водных растворах:

1) чем меньше электродный потенциал металла, тем легче он окисляется и труднее восстанавливается;

2) металлы, имеющие отрицательные электродные потенциалы, т. е. стоящие в ряду напряжений левее водорода, способны вытеснять его из разбавленных растворов кислот;

3) каждый металл способен вытеснять (восстанавливать) из растворов солей те металлы, которые имеют более высокий электродный потенциал.

19.Электролиз расплавов и растворов

Электролиз -окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании постоянного тока через систему, включающую электролит.

Химические реакции, протекающие при электролизе, осуществляются при помощи энергии электрического тока, подведённого извне. Следовательно, при электролизе происходит преобразование электрической энергии в химическую. Процессы окисления и восстановления в этом случае протекают раздельно, т.е. на различных электродах. Электрод, на котором происходит восстановление, называетсякатодом, а электрод, на котором происходит окисление, - анодом. Катод подключён к отрицательному полюсу, и поэтому к нему движутся катионы, анод – к положительному полюсу, к нему движутся анионы. Минимальный потенциал (В), при котором процесс электролиза становится возможным, называется потенциалом (напряжением) разложения. Его находят вычитанием электродного потенциала катиона из соответствующего значения электродного потенциала аниона, единица измерения вольт (В).

Электролиз расплава. Рассмотрим электролиз расплава СuCl₂, который диссоциирует на ионы Сu²⁺ и Cl⁻. При подключении напряжения к электродам через расплав начинает протекать электрический ток. Так, при электролизе расплава хлорида меди (II) электродные процессы могут быть выражены полуреакциями:

на катоде (–): Сu²⁺ + 2e → Cu⁰ – катодное восстановление

на аноде (+): 2 Cl^– – 2e → Cl₂ – анодное окисление

Общая реакция электрохимического разложения вещества представляет собой сумму двух электродных полуреакций, и для хлорида меди она выразится уравнением

Cu²⁺ + 2 Cl^– → Cu + Cl₂

Электролиз растворов осложняется участием в электродных процессах ионов Н⁺ и ОН⁻. Кроме того, молекулы воды сами могут подвергаться электродному окислению или восстановлению.

Катодные процессы в водных растворах при электролизе не зависят от материала катода, а только от природы катиона (табл. 1).

Анодные процессы в водных растворах зависят от материала анода и природы аниона. При рассмотрении анодных процессов следует иметь в виду, что материал анода в ходе электролиза может окисляться.

20.Электронное строение атома,эектронные формулы и квантовые ячейки. Доминирующей современной теорией поведения электронов и других микрообъектов, обладающих очень малой массой, является квантовая механика. Квантовая волновая механика изучает законы движения микрообъектов в силовых полях. Главной особенностью квантовой механики является ее вероятностный статистический характер: она дает возможность находить вероятность того или иного значения некоторой физической величины. В отличии от классической физики в квантовой механике все объекты микромира (электроны, атомы, молекулы и др.) выступают как носители и корпускулярных и волновых свойств (волново-корпускулярный дуализм), которые не исключают, а дополняют друг друга. Не представляет труда обосновать объективность волново-корпускулярного дуализма для световых квантов – фотонов. Так, фотоэффект Столетова (это испускание электронов веществом под действием света ) и эффект Комптона (явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие рассеивания его электронами) доказывают корпускулярную природу видимого и рентгеновского излучений, а интерференция (изменение в характере звуковых, тепловых, световых и электрических явлений, объясняемое колебательным движением: в первом случае частиц звучащего тела, в остальных трех — колебанием) и дифракция (волн, явления, наблюдаемые при прохождении волн мимо края препятствия, связанные с отклонением волн от прямолинейного распространения при взаимодействии с препятствием) – волновую природу света.

В 20-е годы прошлого столетия активно развивалась квантовая механика (Шрёдингер, Гейзенберг, Эйнштейн и др.). Квантовая механика исследует поведение микрочастиц ( электронов, фотонов и др.) в микрополях атомов, молекул и кристаллов, т.е. каких-либо комплексов. Ее выводы носят статистический характер. Микрочастицы движутся по своим законам, их природа носит двойной характер – волново-корпускулярный дуализм («корпускула» - частица и одновременно имеет ЭМ волны). Шрёдингер вывел волновое уравнение, которое описывает поведение электрона в атоме. Из решения уравнения Шрёдингера вытекает понятие «орбиталь» (собственная функция), т.е. квантовая механика отвергает существование в атоме стационарных орбит. Орбиталь – отражает вероятность нахождения электрона в какой-то части атомного пространства. Из уравнения вытекают и некоторые числа, носящие названия квантовых, которые характеризуются определенными значениями и задают форму орбитали, ее энергию ориентацию в пространстве.

Квантовая механика адекватно описывает основные св-ва и поведение атомов, ионов, молекул, конденсированных сред, и др. систем с электронно-ядерным строением. Квантовая механика также способна описывать поведение электронов, фотонов, а также др.элементарных частиц.

Квантовые числа.

n – главное квантовое число (=1,2,3…+∞) – за полный запас электронов в атоме.

е – (0 до n=-1) отвечает за форму атомной орбитали (е 0 1 2 3

s p d f

s2 p6 d10 f14

me- магнитное квантовое число (-l; 0; +l)- характеризует ориентацию орбитали в пространстве (нарисовать из тетради)

ms – спиновое квантовое число – отвечает за вращение электронов вокруг своей оси (-1/2; +1/2)

s2 p6 d9 f14

Квантовая формула отражает характер распределения электронов по орбиталям и квантовым слоям.

Закономерности распределения.

1. Принцип Паули. В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.

2. Принцип наименьшей энергии. В атоме электроны в первую очередь занимают орбитали с наименьшей энергией (т.е. располагаются ближе к ядру).

3. Правило Гунда. На вырожденных орбиталях электроны располагаются так, чтобы суммарное спиновое квантовое вещество было максимальным. (вырожденная – орбиталь, характеризующаяся одной и той же энергией).

Из написания квантовых формул бросается в глаза, что систематически повторяются строение наружного электронного слоя у атомов элементов разной химической природы (т.е. разных элементов). В этом состоит главный физический смысл периодического закона. Физическое свойство периодического закона состоит в периодическом повторении строения наружных атомных орбиталей элементов с ростом числа электронных слоев (главного квантового числа)

Ква́нтовое число́ в квантовой механике — численное значение какой-либо квантованной переменной микроскопического объекта (элементарной частицы, ядра, атома и т. д.), характеризующее состояние частицы. Задание квантовых чисел полностью характеризует состояние частицы.

Некоторые квантовые числа связаны с движением в пространстве и характеризуют пространственное распределение волновой функции частицы. Это, например, радиальное (главное) ( ), орбитальное ( ) и магнитное ( ) квантовые числа электрона в атоме, которые определяются как число узлов радиальной волновой функции, значение орбитального углового момента и его проекция на заданную ось, соответственно.

Некоторые другие квантовые числа никак не связаны с перемещением в обычном пространстве, а отражают «внутреннее» состояние частицы. К таким квантовым числам относится спин и его проекция.

Главное (радиальное) квантовое число — целое число, обозначающее номер энергетического уровня. Характеризует энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень. Является первым в ряду квантовых чисел, который включает в себя главное, орбитальное и магнитное квантовые числа, а также спин. Эти четыре квантовых числа определяют уникальное состояние электрона в атоме (его волновую функцию). Главное квантовое число обозначается как . При увеличении главного квантового числа возрастают радиус орбиты и энергия электрона.Главное квантовое число равно номеру периода элемента.

Наибольшее число электронов на энергетическом уровне с учетом спина электрона определяется по формуле N = 2n2.

Орбитальное квантовое число — в квантовой физике квантовое число ℓ, определяющее форму распределения амплитуды волновой функции электрона в атоме, то есть форму электронного облака. Определяет подуровень энергетического уровня, задаваемого главным (радиальным) квантовым числом n и может принимать значения

l = 0; 1; 2; ...; n-1.

Магни́тное ква́нтовое число́ — параметр, который вводится при решении уравнения Шрёдингера для электрона в водородоподобном атоме (и вообще для любого движения заряженной частицы). Магнитное квантовое число (m) характеризует ориентацию в пространстве орбитального момента количества движения электрона или пространственное расположение атомной орбитали. магнитное квантовое число, в частности, определяет проекцию орбитального магнитного момента водородоподобного атома на направление магнитного поля и служит причиной расщепления спектральных линий атома в магнитном поле (см. Эффект Зеемана).

Спиновое квантовое число s принимает два значения: +1/2; -1/2. Характеризует собственное вращательное движение электрона (по часовой и против часовой стрелки)