10. Електрохімічні процеси

Програмні питання

Предмет електрохімії. Електродні потенціали. Рівняння Нернста. Типи електродів: першого та другого родів; металічні, газові, окисно-відновні. Стандартний водневий електрод. Ряд стандартних електродних потенціалів металів. Гальванічні елементи Електродні процеси та струмоутворююча реакція. Електрорушійна сила. Поляризація електродів та напруга гальванічних елементів. Напрямок окисно-відновних реакцій.

Корозія металів і сплавів. Хімічна корозія. Електрохімічна корозія, її причини. Захист металів від корозії: ізоляція металів від навколишнього середовища, зміна корозійного середовища, електрохімічні методи захисту.

Електроліз. Електроліз з нерозчинним та розчинним анодами. Закони електролізу. Застосування електролізу в техніці та промисловості.

10.1 Електродний потенціал, класифікація електродів.

Вихідним поняттям в електрохімії є поняття про електродний потенціал,, який вимірюється у Вольтах. При зануренні металевої пластинки у воду за рахунок взаємодії полярних молекул води з іонами кристалічної решітки металу на межи розподілу фаз – поверхня металу та вода, утворюється так званий ,, подвійний електричний шар,,. Він характеризується від’ємним електричним зарядом на поверхні пластинки та позитивним зарядом у воді біля цієї поверхні. Тобто, утворюється плоский конденсатор або подвійний електричний шар, який характеризується різницею електричних потенціалів. Ця різниця електричних потенціалів і називається електродним потенціалом, Сама же пластина, яка знаходиться у воді або в розчині солі того ж металу, утворює електрод. В електрохімії прийнято записувати умовні схеми електродів:

Ме ; де вертикальна риса означає границю поділу фаз (тверде тіло – рідина, …). У загальному випадку для любих окисно-відновних систем схеми виглядять як: Re|Ox , де Red – відновлена форма системи, а Ox – окислена форма.

Між окисленою і відновленою формами системи встановлюється рівновага, яка відображається рівнянням електродної реакції:

Ме Меⁿ⁺ + n , або

Red Ox + n

- кількісна величина, котра характеризує здібність окисно-відновної системи к окисленню та відновленню. Чим менша її значення, тім легше окислюється відновлена форма системи (Red); чим вона більше, тем легше йде процес відновлення окисленої форми (Ox).

Рівняння Нернста дає залежність від природи окисно-відновної системи, концентрації потенціал-утворюючих іонів та температури:

= +

де - стандартний електродний потенціал системи, R – універсальна газова стала - 8,31 Дж/моль.К; T – температура, К; F –стала Фарадея – 96485 Кл/моль, n - число електронів в реакції, а [Ox], [Red] – концентрації відповідно окисленої та відновленої форм системи.

За стандартних термодинамічних умов ( Р- 101,34 КПа, Т – 298 К) це рівняння перетворюється в:

= + , (10.1)

Для металічних електродів це рівняння має вигляд:

= + [Me]. (10.2)

В загальному випадку електроди класифікуються на два типи:

1. Першого роду, в яких величина електродного потенціалу залежить від концентрації катіонів (металічні електроди, водневий, …)

2. Другого роду, в яких величина електродного потенціалу залежить від концентрації аніонів ( хлор-срібний, каломельний, …). В цих випадках в рівнянні Нернста перед другим членом стоїть знак мінус (наприклад, для хлор-срібного електроду):

₂ = - lg [Cl^-].

Також електроди можна класифікувати по якомусь специфічному признаку:

1. Металічні – одна з двох форм (Red - Ox )є метал; 2. Газові – присутня газова складова ( водневий, кисневий, …); 3. Окисно-відновні – сам електрод, виготовлений з інертного матеріалу, є тільки електропровідником, а окислена та відновлені форми окисно- відновної системи знаходяться у розчині. Наприклад, Pt Fe²⁺, Fe³⁺. Рівняння електродної реакції:

Fe²⁺ Fe³⁺ + е

_4.Електроди зрівняння – потенціал є сталою величиною, тобто не залежить від концентрації потенціал-утворюючих іонів. Наприклад, це є той же самий хлор-срібний електрод з насиченим розчином KCl (_{= 0,203 B).}

_{Значення електродних потенціалів розраховують відносно стандартного потенціалу водневого електроду, який прийнятий за умовний нуль потенціалів.}

_{Водневий електрод – це платинова пластинка, яка покрита платиновою черню для збільшення площини поверхні і занурена в розчин сульфатної кислоти. Ця пластина обдувається газоподібним гідрогеном, який адсорбується на її поверхні, утворюючи якби ‘’металічний водень ‘’. Тобто, в цьому випадку маємо одночасно електроди першого роду і газовий. Схема водневого електроду та рівняння електродної реакції будуть виглядати як:}

_{Pt, H2 (адсорб. )|Н+}

_{Н2 2Н+ + 2е}

_{В загальному випадку потенціал водневого електроду розраховується згідно рівняння:}

= + .

Після внесення всіх сталих величин в та приймання його за умовний нуль для стандартних умов здобуваємо формулу для розрахунку потенціалу водневого електроду:

= 0,059lg[H] = - 0,059 pH. (10.3)