Основы электрохимии
Методическое пособие - Химия
Другие методички по предмету Химия
Министерство cельского хозяйства Российской Федерации
Уральская государственная сельскохозяйственная академия
Кафедра химии
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИИ
Методические указания для самостоятельной работы
студентов 1 курса факультета механизации
сельского хозяйства УрГСХА
Екатеринбург, 2001
Содержание
1. Гальванические элементы
2. Электролиз
2.1 Электролиз расплава
2.2 Электролиз раствора
2.3 Законы электролиза (законы Фарадея)
3. Химические источники тока
3.1 Свинцовый (кислотный) аккумулятор
3.2 Щелочные аккумуляторы
3.3 Топливные элементы
4. Коррозия металлов
4.1 Химическая коррозия
4.2 Электрохимическая коррозия
4.3 Защита от коррозии
Литература
Электрохимия изучает закономерности, связанные с превращением химической и электрической энергии. Электрохимия включает три основных раздела: электропроводность, электролиз, электродвижущие силы гальванических элементов.
1. Гальванические элементы
В окислительно-восстановительных реакциях происходит переход электронов от одних атомов или ионов к другим, при этом химическая энергия превращается в тепловую.
Гальваническим элементом называется прибор, в котором происходит превращение химической энергии в электрическую за счет окислительно-восстановительной реакции, при отсутствии непосредственного контакта между веществами и переход электронов осуществляется с помощью металлического проводника.
Механизм гальванического элемента связан со структурой металла, в узлах кристаллической решетки которой находятся ионы. При погружении металла в воду, ионы, имеющиеся на поверхности, гидратируются полярными молекулами воды и переходят из пластинки в раствор, оставляя на пластинке электроны, которые заряжают ее отрицательно. Вследствие электростатического притяжения, ионы цинка из раствора притягиваются к цинковой пластинке, что препятствует дальнейшему переходу ионов цинка в раствор, устанавливается подвижное равновесие и образуется двойной электрический слой (ДЭС). Скачок потенциала, возникающий на границе между металлом и раствором, называется электродным потенциалом. Чем активнее металл, тем больше ионов переходит в раствор и тем больше величина отрицательного заряда. Так как цинковая пластинка заряжается отрицательно, то такой электродный потенциал считается отрицательным.
На медном электроде происходит иное явление: энергия электронно-ионной связи в медной пластинке больше, чем в цинке, поэтому катионы меди переходят из раствора на пластинку в большем количестве, чем с поверхности металла в раствор, и медная пластинка заражается менее отрицательно, чем цинковая, а прилегающий к ней слой жидкости отрицательно. Такой электродный потенциал считается положительным.
Электродом гальванического элемента называется система, состоящая из металла, погруженного в раствор ионов этого же металла.
При соединении медной и цинковой пластинок металлическим проводником ионы более активного металла (цинка) переходят в раствор,
адсорбируются на пластинке и электроны, имеющиеся в избытке на цинковой пластинке пойдут от цинковой пластинки к медной, в результате чего возникнет электрический ток. Электроны, попадая на медную пластинку, нейтрализуют ионы меди, имеющиеся в растворе и ионы меди осаждаются на медной пластинке. Уменьшение электронов на цинковой пластинке компенсируется переходом в раствор новых ионов цинка, нарушается ДЭС, при этом сульфат-ионы переходят от медной пластинке к цинковой.
Электрод, на котором идет процесс окисления (отдача электронов), называется анодом. Электрод, на котором идет процесс восстановления (присоединения электронов), называется катодом.
Гальванические элементы изображаются в виде схем:
A (-) Zn | ZnSO4 || CuSO4 | Cu (+) K(-) Zn | ZnSO4 (С, моль/л) || CuSO4 (С, моль/л) | Cu (+) K(-) Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu (+) K(-) Zn | Zn2+ (С, моль/л) || Cu2+ (С, моль/л) | Cu (+) K
Электродные процессы выражаются уравнениями:
- Zn0 - 2 e => Zn2+ (процесс окисления)
(К) Сu2+ + 2 e => Cu0 (процесс восстановления)
_________________________
Zn0 + Cu2+ => Cu0 + Zn2+.
В гальваническом элементе имеются 4 границы возникновения разности потенциала:
- между первым металлом и раствором его соли возникает электродный потенциал (е 1);
- между вторым металлом и раствором его соли возникает еще один электродный потенциал (е2);
- на границе между двумя растворами возникает диффузный потенциал вследствие различия в подвижности ионов, который устраняется включением между растворами электролита, имеющего у обоих ионов одинаковую подвижность, чаще всего используют насыщенный раствор хлорида калия (солевой мостик);
- на границе между двумя металлами из-за перехода электронов, возникает контактный потенциал, но его значение учитывается при определении электродного потенциала.
Таким образом, электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента равна разности электродных потенциалов:
ЭДС = екатода - еанода,
причем екатода > еанода, то есть катодом является электрод, имеющий большее значение электродного потенциала, а анодом меньшее