Електрохімічні процеси

 

 

 

Електрохiмiя - це галузь хiмiї, яка охоплює хiмiчнi процеси, що супроводжуються виникненням електричного струму або якi спричиненi дiєю електричного струму.

 

Електродні потенціали

 

Розглянемо  процеси,  якi  вiдбуваються  при  зануреннi  металу  -  провiдника  першого  роду,   в   розчин електролiту. Такий провiдник 1-го роду, занурений у розчин електролiту в умовах проходження через нього струму, називають електродом. На межi електрод - розчин електролiту виникає стрибок електричного потенцiалу, який називають електродним потенцiалом. Це пояснюється таким чином.

 

У  металi встановлюється рухлива рiвновага:

 

  (5.1)

Перехiд йонiв металу в розчин виражається рiвнянням :  (5.2)

 

Можна об'єднати рiвняння (5.1) i (5.2):

 

  (5.3)

 

Цей процес супроводжується втратою електронiв, тобто це - окиснення. Зворотний процес – відновлення (рис.

5.1).

 

Рис. 5.1 Схема взаємодії йонів поверхневого шару  металу з молекулами води

 

Стан рiвноваги (5.3) залежить вiд активностi металу i вiд концентрацiї його йонiв у розчинi. Якщо ця концентрацiя менша за рiвноважну, то при зануреннi металу в розчин рiвновага зсувається вправо - йони металу переходять у розчин, а електрони залишаються на поверхнi металу. Саме тому метал набуває вiд'ємного заряду вiдносно  розчину.  Чим  бiльше  йонiв  переходить  у  розчин,  тим  бiльшим  стає  вiд'ємний  заряд  металу. Накопичення йонiв металу в розчинi починає гальмувати розчинення металу. Внаслiдок цього встановлюється рухлива рiвновага.

Внесення  в  розчин  однойменних  йонiв  зсуває  рiвновагу  (5.3)  влiво,  доки  не  встановиться  новий  стан рiвноваги. Гiдратованi йони металу концентруються бiля поверхнi електрода. У результатi цього утворюється подвiйний електричний шар.

Для неактивних металів рівноважна концентрація йонів дуже мала. Якщо занурити неактивний метал у розчин солi з концентрацiєю однойменних йонiв бiльше тієї, що вiдповiдає рiвновазi, то частина катiонiв з розчину перейде на електрод.

 

Поверхня електрода набуває додатнього заряду, а розчин - вiд'ємного (рис. 5.2).

 

Рис. 5.2. Подвійний електричний шар на межі поділу метал-розчин:

а – активний метал; б – малоактивний метал

 

Електродний потенціал металу залежить від властивостей металу, концентрації або, точніше, від активності його йонів і температури.

 

Ця залежність виражається формулою Нернста:

 

  (5.4)

 

де   - концентрація йонів металу, моль/л;

 

- електродний потенцiал при   =1моль/л;

 

R - унiверсальна газова стала, яка дорiвнює 8,314 Дж/(мольК);

 

Т - температура, К;

 

n – число електронів, що беруть участь у процесі;

 

F – стала Фарадея - 96494 Кл/моль.

 

Пiдставимо  у  формулу  (5.4)  числовi  значення  R  i  F  i  замiнимо  натуральний  логарифм  десятковим,

помноживши на 2,3, тодi одержимо для температури 250 С:

 

  (5.5)

 

Електродний потенціал є сталою величиною при певній температурі, якщо платівка металу занурена в розчин його солі з концентрацією (або активністю) йонів металу, що дорівнює одиниці (   або аі = 1). Такий потенціал називають стандартним електродним потенціалом. Якщо  , з рівняння (5.5) одержимо:

 .

 

Хiмiчнi джерела електричної енергії

 

В окисно-відновних реакціях електрони безпосередньо переходять від відновника до окисника. Однак якщо процеси окиснення і відновлення просторово розділити, а електрони направити по металічному провіднику, то така система буде являти собою гальванічний елемент.

 

Отже, гальванiчними елементами називають пристрої, в яких хiмiчна енергiя окисно-вiдновної реакцiї перетворюється в електричну.

 

Рис. 5.3. Схема роботи мідно-цинкового гальванічного елемента

 

Гальванiчний елемент складається з двох електродiв, занурених у розчини (або розплави) електролiтiв. На межi  кожного  електрода   з   розчином   електролiту   iснує  електродний   потенцiал.   Потенцiали   електродiв неоднаковi,  саме  тому  при  з'єднаннi  їх  провiдником  по  ньому  протiкає  електричний  струм.  Розглянемо мiдно-цинковий гальванiчний елемент, або елемент Даніеля-Якобі (рис. 5.3).

 

Платівки з міді і цинку з'єднані провідником, і занурені в розчини відповідних солей: купрум (II) сульфату і цинк сульфату. Півелементи знаходяться в одній посудині або розділені пористою перетинкою.

 

На цинковому електроді, зануреному в розчин солі ZnSO4, відбувається окиснення атомів цинку:

 

Електрони по зовнішньому колу рухаються від цинку до міді.

 

На мідному електроді, зануреному в розчин CuSO4, відбувається відновлення йонів Cu2+ в атоми, які осаджуються на електроді:

 

Одночасно частина йонів SO42- переходить з посудини з CuSO4, через пористу перетинку, в посудину з розчином ZnSO4. У результаті рідина біля обох електродів залишається електронейтральною.

 

Сумарне рівняння процесу одержимо, додавши обидва рівняння:

 

або в молекулярній формі:

 

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu.

 

Електрод,  на  якому  відбувається  процес  окиснення,  називається  анодом,  а  електрод,  на  якому відбувається процес відновлення – катодом.