Электродные процессы и электродвижущая сила

Механизм возникновения электродного потенциала.

Электродные потенциалы возникают на границе металла с раствором электролита. Из поверхности металла ионы переходят в раствор, на поверхности остаются электроны.В результате этого возникает двойной электрический слой (ДЭС).

Гальванический элемент

Гальваническими элементами (ГЭ) называют устройства, преобразующие энергию химической реакции в электрическую энергию. ГЭ - это химические источники электрического тока. Гальванический элемент состоит из двух электродов, погруженных в растворы электролитов.Эти электроды соединены между собой проводником, а растворы электролитов – через электролитический (cоле-вой) мостик.

Элемент Якоби-Даниэля.

(-) Zn | (ZnSO4)H2O ||(CuSO4)H2O | Cu(+) Zn На аноде: Zn – 2e ® Zn2+На катоде: Сu2+ + 2e ® CuОбщая реакция: Zn + Cu2+ ® Zn2+ + Cu

Электродный потенциал. (Уравнение Нернста).

Электродный потенциал анода:

 

Электродный потенциал катода:

 

Важной характеристикой гальванического элемента является электродвижущая сила (ЭДС).ЭДС определяется как предельная разность потенциалов, возникающая на границе раздела фаз в разомкнутой цепи элемента.

 

В ГЭ уменьшение энергии Гиббса равно максимальной полезной работе, которая эквивалентна электрической энергии (nFE):

 

где Е – ЭДС элемента; F – постоянная Фарадея; n – число электронов, участвующих в электрохимическом процессе.

Стандартные электродные потенциалы

Для измерения электродного потенциала любого электрода его соединяют с другим электродом, потенциал которого принят за нуль. Такой электрод называют электродом сравнения. В качестве электрода сравнения берут водородный электрод. Водородный электрод состоит из платиновой пластинки (поверхность пластинки покрыта тонким слоем высокодисперсной платиной), погруженной в раствор, содержащий ионы водорода и омываемой газообразным осушенным водородом (при Р=1 атм).

На электроде протекает реакция

Электродный потенциал водородного электрода:

 

Стандартный потенциал водородного электрода при активности ионов водорода, равной единице, в условиях, когда давление газообразного водорода составляет 1 атм, а температура равна 298 К, принят за нуль, т.е.

 

 

Стандартный электродный потенциал данного электрода равен его потенциалу по отношению к потенциалу стандартного водородного электрода.

Если металлы расположить в один ряд по возрастанию их стандартных электродных потенциа-лов, то тогда мы получим ряд напряжений металлов:

 

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЦЕПИ, системы из электродов, находящихся в одном и том же электролите либо в контактирующих друг с другом разл.электролитах. Иногда электрохимические цепи наз. гальванич. цепями. Электрохимические цепи могут быть замкнутыми или разомкнутыми; в частности, электрохимическую цепь наз. правильно разомкнутой, если на концах разомкнутой цепи находятся одинаковые проводники.
Последовательность соединения проводников в электрохимических цепях изображают схемой: M| раствор раствор II | М' | М, где М и М' - металлы, сплошные вертикальные черточки указывают границы раздела фаз, а двойная вертикальная пунктирная черта указывает на то, что диффузионный потенциал между р-рами I и II отсутствует (элиминирован) (в противном случае используют одинарную пунктирную черту). Отрицат. электрод располагают слева. Разность потенциалов на концах правильно разомкнутой электрохимической цепи наз. электродвижущей силой цепи (эдс). Электрохимические цепи строго равновесны лишь тогда, когда они не содержат границы двух электролитов и когда эдс цепи скомпенсирована разностью потенциалов от внеш. источника тока.

Превращение химической энергии в электрическую осуществляется в устройствах, которые называются химическими источниками тока (ХИТ).

ХИТ – это устройство, в котором химическая энергия активных материалов непосредственно преобразуется в электрическую энергию при протекании пространственно разделенных окислительно-восстановительных процессов.

При отсутствии пространственного разделения окислительного и восстановительного процессов в системе протекает химическая реакция с выделением энергии в виде теплоты. В простейшем виде ХИТ состоит из анода, катода и электролита между ними, представляющими собой электрохимическую систему. Условиями протекания тока в электрохимической системе является наличие:

· двух электродов с различными потенциалами, обладающими проводимостью первого рода;

· электролита или электролитов, обладающих проводимостью второго рода;

· металлического соединения во внешней цепи.