Тема 4. Электрохимические системы

4.1. Электродные потенциалы и электродвижущие силы Содержание материала для самостоятельного изучения

Понятие об электродных потенциалах, механизм их возникновения. Зависимость электродных потенциалов от природы электродов и концентрации растворов. Измерение электродных потенциалов. Ряд напряжений металлов, выводы из него, практическое значение.

Гальванические элементы – механизм работы. Расчет электродвижущей силы гальванических элементов.

Литература: [1- гл.9, §§ 9.1-9.2];[ 2 - гл. IX, §§ 91]; [3 - гл.VIII, §§ 5-6].

Основные теоретические положения

Если металлическую пластину опустить в воду, то катионы металла на ее поверхности гидратируются полярными молекулами воды и переходят в жидкость. При этом электроны, остающиеся на металле, заряжают его поверхностный слой отрицательно. Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость катионами и поверхностью металла. На границе металл – раствор возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Ме ↔ Меⁿ⁺ + n ē.

При погружении металлов в растворы собственных солей наблюдается два случая: металлы, ионы которых обладают значительной способностью к переходу в раствор, будут заряжаться отрицательно; малоактивные металлы будут заряжаться положительно вследствие перехода катионов металла из раствора на пластину.

Двойной электрический слой характеризуется скачком потенциала – электродным потенциалом.

Стандартным электродным потенциалом металлов называется электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственной соли с концентрацией (или активностью) ионов, равной 1 моль/л, измеренный по отношению к стандартному водородному электроду, потенциал которого при 25^оС условно принимается равным нулю (Е⁰ = 0).

Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных потенциалов (Е⁰), получают ряд напряжений металлов.

Положение того или иного металла в ряду напряжений характеризует его восстановительную способность. Чем более отрицательное значение Е⁰, тем большей восстановительной способностью обладает данный металл и тем меньшие окислительные способности проявляют его катионы.

Величина электродного потенциала зависит от природы металла, концентрации ионов данного металла в растворе и температуры. Эта зависимость выражается уравнением Нернста. Расчетное уравнение имеет вид:

Е_Меⁿ⁺/_Me=E⁰_Meⁿ⁺/_Mе+ lg C _Meⁿ⁺,

где E⁰_Meⁿ⁺/_Mе – стандартный электродный потенциал металла;

n – заряд иона металла;

C _Meⁿ⁺ - концентрация ионов металла в растворе.

Гальванический элемент – это устройство, в котором энергия окислительно-восстановительных процессов на электродах превращается в электрическую.

Электрод, на котором протекает процесс окисления, называется анодом, он заряжается отрицательно. Электрод, на котором протекает процесс восстановления – катод и он считается положительным полюсом элемента. Работа гальванического элемента основана на пространственном разделении процесса отдачи и присоединения электронов. Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента рассчитывается по разности электродных потенциалов металлов:

ЭДС = Е_катода - Е_анода.