Тема 9 електрохімічні процеси

До електрохімічних процесів відносять гальваніку та електроліз. Спільним у цих двох процесів те, що вони є окисно-відновними реакціями.

Гальваніка – це такий окисно-відновний процес, в ході якого за допомогою спеціальних пристроїв енергія самочин-ної хімічної реакції перетворюється на електричну.

Нехай є два хімічних стакани з розчинами цинк сульфату (ZnSO₄) та купрум сульфату (CuSO₄). Якщо в розчини занурити електроди виготовлені з однорідних металів, то на них виник-нуть певні заряди, обумовлені природою металу: цинковий електрод заряджається негативно, мідний − позитивно. Прилеглий до електродів шар електроліту набуває протилеж-ного заряду, виникає подвійний електричний шар. Якщо стакани сполучити сольовим містком, а електроди провід-ником, то в системі виникне електричний струм, який легко фіксується відповідними приладами. Виникнення струму обумовлене тим, що електрони з цинкового електроду по провіднику будуть переміщуватися до мідного електроду:

+2

o

Z

+2

o

n − 2ē = Zn окиснюється

Cu + 2ē = Cu відновлюється

Дану реакцію легко провести у пробірці, але при проходженні реакції в такий спосіб перебіг електронів носить хаотичний характер. Для виникнення струму, тобто напрямленого переміщення заряджених частинок, необхідною умовою є просторове відокремлення процесів окиснення та відновлення. У будь-якому струмопровідному середовищі при контакті двох різнойменних металів виникає гальванічна пара. Метал, що має більш негативний стандартний окисно-відновний потенціал виконує функцію аноду, на ньому виникає негативний потенціал, відбувається процес окиснення, тобто процес віддачі електронів. Метал, що володіє вищим значенням стандартного окисно-відновного потенціалу виступає катодом, набуває позитивного заряду, на ньому відбувається процес відновлення, тобто приєднання електронів.

Електроліз − це такий окисно-відновний процес, який самочинно не відбувається, а можливий лише при умові накладання достатнього потенціалу від зовнішнього джерела постійного електричного струму.

В

tº

електроліті під дією полярних молекул розчинника або високої температури відбувається процес електролітичної дисоціації (йонізації):

NaCl _крист.  Na¹⁺ + Cl¹⁻

При накладанні потенціалу від зовнішнього джерела постійного струму, до електродів за законами електростатичної взаємодії мігрують утворені йони (знаки зарядів на електродах в електролізі протилежні тим, що є в гальваніці):

К(−) А(+)

Na¹⁺ Cl¹⁻

Якщо потенціал, який накладений на електроди достатній, то починається окисно-відновний процес: на катоді процес відновлення, на аноді процес окиснення:

К(−): Na¹⁺ + 1ē = Na^º А(+):2Cl¹⁻ - 2ē = Cl₂

Таким чином на катоді виділяється металічний натрій, на аноді газуватий хлор.

У випадку, коли електроліт є складною системою і містить конкуруючі компоненти, порядок відновлення на катоді підпорядковується таким емпіричним правилам:

− якщо метал в “Електрохімічному ряді напруг” стоїть в інтервалі Cs − A1(включно), то катіон металу не приймає участь у процесі електролізу, відбувається відновлення води за таким рівнянням: 2Н₂О + 2ē = Н₂ + 2ОН¹⁻

− якщо метал в “Електрохімічному ряді напруг” стоїть в інтервалі Mn − Sn(включно), то катіони металу і вода прийма-ють участь у процесі електролізу;

− якщо метал в “Електрохімічному ряді напруг” стоїть в інтервалі Pb − Au (включно), то тільки катіони металу прийма-ють участь у процесі електролізу

На аноді у водних розчинах діють два правила:

− за одночасною наявністю у приелектродному просторі кислотних залишків безоксиґеновмісних кислот і води, у першу чергу, буде здійснюватися саме їхнє окиснення (це такі аніони Cl¹⁻, Br¹⁻, I¹⁻, S²⁻);

− за одночасною наявністю у приелектродному просторі кислотних залишків кисневмісних кислот(це такі аніони SO₄²⁻, SO₃²⁻, SіO₃²⁻, CO₃²⁻, NO₃¹⁻, PO₄³⁻ тощо) і води, у першу чергу, буде здійснюватися окиснення молекул води за такою схемою:

2НОН – 4ē = 4Н¹⁺ + О₂