Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
1_chast_obshey_khimii.doc
Скачиваний:
128
Добавлен:
21.09.2019
Размер:
1.68 Mб
Скачать

Электрохимические процессы

9.1 Понятие об электродном потенциале

Опыты с применением радиоактивных изотопов показывают, что при погружении любого металла, химически не реагирующего с водой, в раствор соли этого металла, между металлической фазой и раствором соли происходит обмен ионами. Ионы металла Mez+ переходят из кристаллической решётки металла в раствор и обратно. В первый момент после установления контакта между металлом и раствором скорости прямого и обратного процессов различны. Если преобладает переход ионов из металлической фазы в раствор, то раствор приобретает положительный заряд, а металл (т.е. металлический электрод) заряжается отрицательно. По мере увеличения этого заряда скорость перехода катионов металла в одноимённо заряженный раствор уменьшается. Напротив, скорость перехода катионов металла из раствора на отрицательно заряженный металлический электрод увеличивается. В итоге скорости обоих процессов выравниваются, и между металлом и раствором устанавливается химическое равновесие:

Mez+(металлическая фаза) ⇆ Mez+(раствор) .

При этом металлический электрод оказывается заряженным отрицательно, а раствор – положительно.

Если при установлении контакта металл-раствор скорость перехода катионов из металла в раствор была меньше, чем скорость их перехода в обратном направлении, то в этом случае к моменту наступления равновесия металлический электрод окажется заряженным положительно, а раствор – отрицательно.

Таким образом, между металлом и раствором его соли возникает скачок потенциалов. Потенциал металлического электрода, отвечающий равновесию между металлической фазой и раствором, называется равновесным электродным потенциалом.

9.2 Понятие о гальваническом элементе

Н а двух различных металлических электродах (например, цинковом и медном), погружённых в растворы своих солей, возникают различные по величине потенциалы. При замыкании металлическим проводником цинковой и медной пластинок в цепи появляется направленное движение электронов от электрода с более отрицательным потенциалом (т.е. от электрода с большей концентрацией электронов) к электроду с более положительным потенциалом. В рассматриваемом случае более отрицательным потенциалом обладает цинковый электрод, более положительным – медный. Электрический контакт между растворами обеспечивается с помощью солевого мостика – трубки, заполненной раствором хлорида калия.

У

Рис. 9.1 – Гальванический элемент Даниэля-Якоби.

стройство, предназначенное для преобразования химической энергии окислительно-восстановительных реакций в электрическую энергию, называется гальваническим элементом. Рассматриваемый гальванический элемент назван элементом Даниэля-Якоби. На отрицательном (цинковом) электроде элемента Даниэля-Якоби протекает процесс окисления: Zn  Zn2+ + 2e, и металлический цинк переходит в раствор в виде ионов Zn2+, а электроны по внешней цепи движут-

ся к положительному (медному) электроду, где

протекает процесс восстановления: Cu2+ + 2e  Cu.

Таким образом, в гальваническом элементе Даниэля-Якоби протекает реакция окисления цинка и восстановления ионов меди:

Zn + Cu2+  Zn2+ + Cu;

Zn + CuSO4  ZnSO4 + Cu .

Эту реакцию можно было бы провести и по-другому, приведя в непосредственное соприкосновение металлический цинк и раствор сульфата меди. Но в этом случае окислительно-восстановительная реакция протекала бы без пространственного разделения процессов окисления и восстановления и не могла бы быть использована для получения электрической энергии. Электрохимические реакции являются частным случаем окислительно-восстановительных реакций и всегда протекают с пространственным разделением процессов окисления и восстановления.

Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом, а процесс окисления – анодным процессом. Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом, а процесс восстановления – катодным процессом. Как уже было ранее сказано, анод гальванического элемента заряжен более отрицательно, чем катод, поэтому заряд анода гальванического элемента обозначают знаком «минус», а заряд катода – знаком «плюс».

Устройство любого гальванического элемента можно представить схемой. Например, устройство гальванического элемента Даниэля-Якоби выражается схемой (-) анод Zn  ZnSO4  CuSO4  Cu катод (+) .

В этой схеме одной вертикальной чертой обозначен контакт металла с раствором, двумя вертикальными чертами – контакт между растворами. Разность равновесных электродных потенциалов () катода и анода гальванического элемента называется электродвижущей силой (ЭДС) гальванического элемента (E).

E =  катода -  анода (9.1)