78326

ЭЛЕКТРОХИМИЯ

Реферат

Физика

Сумма скачков потенциала на всех границах раздела фаз равновесной электрической системы называется электродвижущей силой ЭДС элемента. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА Гальванический элемент состоит из двух электродов анода и катода. Его устройство и принцип работы рассмотрим на примере элемента ДаниэляЯкоби. При замыкании цепи гальванического элемента между электродом и раствором электролита идёт реакция окисления: Ионы цинка из электрода переходят в раствор а на электроде остаются электроны; таким...

Русский

2015-02-07

178.5 KB

2 чел.

ЭЛЕКТРОХИМИЯ

Электрохимия изучает взаимное превращение химической энергии в электрическую и наоборот.

Электрохимия делится на 2 типа:

I тип

II тип

хим.р-ция переходит в эл. энергию

( гальванич. элементы, аккумуляторы, топливные элементы).

хим.р-ция идёт под действием эл. тока электролиз (осуществляется в электролизерах.

 

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

В электрическую энергию можно превратить энергию только окислительно- восстановительного процесса.

Гальванический элемент это устройство, в котором происходит превращение химической энергии в электрическую. Он состоит из двух электродов, на одном из которых всегда идёт процесс окисления, на другом процесс восстановления.

Электрод это совокупность проводников I и II рода (металл и раствор или расплав электролита).

 Металл проводник  I рода.

 Раствор электролита проводник II рода.

На поверхности контакта двух проводящих фаз электрохимической системы наблюдаются скачки потенциала. Сумма скачков потенциала на всех границах раздела фаз равновесной электрической системы называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента. Она может быть непосредственно измерена как разность потенциалов фаз, находящихся на концах цепи. Для электрохимических систем характерны три основные типа скачков потенциала металл раствор, раствор раствор и метал металл.

1. Скачок потенциала на границе металл — металл (контактный потенциал).

Контактные потенциалы появляются на границе сопротивления двух тел. Они возникают в результате перехода свободных электродов из одного тела в другое.

   Энергия связи электронов в конденсированных телах определяется работой выхода- количеством энергии, необходимой для вывода электрона  из вещества, в том числе и из металла М:  

где Е – работа выхода.

Если работа выхода одного металла Е1 меньше работы выхода другого Е21 < Е2), электроны будут переходить из одного металла (М1) в другой (М2). Металл М1 который покидают электроны, заряжаются положительно, а металл М2 который принимает электрон,- отрицательно.

   Величина   и характеризует контактный потенциал.

 2 .Скачок потенциала на границе металл- раствор электролита.

  Рассмотрим элемент, состоящий из цинковой платины, опущенной в раствор электролита сульфата цинка ().

Сульфат цинка в водном растворе диссоциирует на ионе:

 

В свою очередь в растворе существуют молекулы воды, которые сильно поляризованы Н2О

   Пластина цинка состоит из ионов  в  узлах кристаллической решётки и электронов (поэтому металлы легко проводят электрический ток).

Ионы в металлах удерживаются за счёт энергии кристаллической решётки (). Ион в растворе удерживается за счёт сольватной (гидратной) оболочки, образуемой растворителем().

1)< >< 0

 При погружении металла в раствор электролита ионы на поверхности кристаллической решётки металла взаимодействуют полярными молекулами растворителя (чаще воды), и образуется сольватная (гидратная) оболочка. Связь гидратированного иона с остальными ионами кристаллической решётки ослабевает, и он, если обладает достаточной кинетической энергией, переходит в раствор. При этом цинковая пластина заряжается отрицательно , т.к. остаются электроны. Таким образом, в раствор уходит много ионов . Но каждому последующему иону уйти труднее, чем предыдущей, т.к. растет отрицательный заряд на пластинке. И при каком-то отрицательном заряде на пластинке наступает состояние равновесия, когда число уходящих ионов   в раствор будет равно числу ионов , приходящих из раствора.

При этом отрицательный заряд на пластинке меняться не будет.

Сравнить величины отрицательного заряда при равновесии можно по таблице стандартных потенциалов.

 

Еще раз отличу: если <, металл заряжается отрицательно.

2) Энергия кристаллизации решетки больше энергии сольватации  >.

<< 0

Ион растворенного вещества подходит к поверхности металла, восстанавливается и переходит в кристаллическую решетку металла. При этом металл заряжается положительно. К такому типу взаимодействия относятся восстановление меди из раствора.

3. Диффузионный скачок потенциала.

 Скачок потенциала, возникает на границе раздела двух растворов с одним и тем же или разными электролитами,  но одинаковыми растворителями, называется диффузионным скачком потенциала. Он обусловлен различными скоростями взаимной диффузии ионов из одного раствора в другой. При рассмотрении примера с раствором воды будут переходить вправо, а ионы Н+ и Cl-   влево. Это и будет диффузией. Однако подвижность ионов водорода и хлора различна. >. Ионов Н+ перейдёт влево больше, чем ионов Cl- . Поэтому в левой части сосуда возникает положительный заряд, а в правой отрицательный. Поэтому возникает диффузионный потенциал. Процесс взаимной диффузии с течением времени становится стационарным и величина диффузионного скачка потенциала достигает стационарного значения.

В стационарном состоянии скачок потенциала  определяется не только природой и  концентрациями соприкасающихся растворов электролитов, но и является функцией времени их контакта. Точный учёт вклада диффузионного потенциала в ЭДС практически невозможен, поэтому необходимы специальные меры по его устранению или уменьшению. Обычно применяют солевые мостики, или электролитические ключи, содержащие концентрированный раствор электролита с ионами, скорость взаимной диффузии и числа переноса которых близки, например, .

≈ (Подвижность ионов калия примерно равна подвижности ионов хлора).

ВОЗНИКНОВЕНИЕ И СТРОЕНИЕ ДВОЙНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СЛОЯ

Свойства границы раздела металл раствор электролита, тесно связаны со строением двойного электрического слоя (ДЭС). Различают плотную часть ДЭС, состоящую из ионов одного знака, и диффузную часть, в которой преобладают ионы того же знака заряда.

В плотный слой входят ионы, расположенные на минимальном удалении от поверхности металла. Здесь они удерживаются силами электростатического  взаимодействия. Центры этих сольватированных  ионов образуют плоскость максимального приближения иона к металлу. Тепловые движение и взаимное отталкивание одноимённо заряжённых ионов размывают плотный слой. Поэтому суммарный заряд ионов в этом слое по абсолютной величине меньше, чем заряд поверхности металла. Однако в целом двойной электрический слой электронейтрален, так как ионы его диффузной части также принимают участие в компенсации заряда поверхности металла.

Возникновение двойного электрического слоя препятствует выходу ионов из металла и способствует возникновению обратного процесса: восстановлению ионов из раствора у поверхности металла. Когда скорость выхода иона будет равна скорости восстановлению иона, тогда потенциал, образующийся в этих условиях, будет называться равновесным. В случае положительно заряженной поверхности металла, также через некоторое время устанавливается равновесие.

                       УСТРОЙСТВО И РАБОТА ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА

Гальванический элемент состоит из двух электродов анода и катода. Его устройство и принцип работы рассмотрим на примере элемента Даниэля-Якоби. В этом элементе используют медный и цинковый электроды. Каждый электрод помещен в ёмкость с раствором электролита, катионы которых "одноимённы" материалу электрода. Ёмкости разделены перегородкой. Цинковый электрод опущен в раствор ZnSO4. При замыкании цепи гальванического элемента между электродом и раствором электролита идёт реакция окисления:

 

Ионы цинка из электрода переходят в раствор, а на электроде остаются электроны; таким образом цинковая пластинка заряжается отрицательно и становится анодом. Возникает отрицательный электродной потенциал .

Между медным электродом и окружающем его раствором CuSO4 идёт реакция восстановления:

       

Ионы меди из раствора осаждаются на медном электроде, который приобретает положительный заряд и становится катодом. Электродный потенциал его будет равен .

Ещё раз подчеркну, что в гальваническом элементе окисление  отдача электронов происходит на аноде ( цинковый электрод), восстановление приобретение электронов- на катоде ( медном электроде).

Рекомендуется запомнить правило: окисление происходит на аноде, который заряжается отрицательно,слова начинаются с гласных "о" и "а", восстановление наблюдается на положительно заряжённом катоде слова начинаются с согласных "в" и "к".

Процесс на электродах:

(+)

(-)

 Суммарная окислительно-восстоновительная реакция  гальванического элемента.

Между двумя растворами сульфата цинка и сульфата меди находится солевой мостик (СМ). Солевой мостик обычно выполняется в виде трубки, заполненной раствором хлорида калия (КСl) или нитрата аммония (NH4NO3). На границе между насыщенным раствором солевого мостика и растворами электродов ZnSO4 и CuSO4  возникают два диффузионных потенциала, которые близки по абсолютному значению, но противоположны по знаку. Солевой мостик способствует значительному снижению диффузионного потенциала между растворами электролитов.

Характерной особенностью любого гальванического элемента является образование электрохимической цепи последовательной совокупности всех скачков потенциала на различных поверхностях раздела, отвечающих данному гальваническому элементу.

Электрохимическую цепь медно-цинкового гальванического элемента с учётом возникших скачков потенциалов можно записать следующим образом:

(1)

Одной вертикальной чертой обозначена граница между металлом и раствором электролита, на которой возникают электродные потенциалы  и .

Двумя чертами обозначена граница между двумя электролитами, проходящая через солевой мостик (. диффузионный потенциал на этой границе). Вертикальной пунктирной линией показана граница между двумя металлами; на этой границе возникает контактный потенциал. Солевой мостик позволяет устранить диффузионный потенциал увеличивался бы по мере работы гальванического элемента.

Смысл записи электрической цепи, если её читать слева направо, следующий: анод, т.е цинковый электрод, погружён в раствор ZnSO4, содержащий ионы Zn2+; солевой мостик соединят один раствор электролита с другим, содержанием ионы двух валентной меди; катод, погружённый в раствор CuSO4, при диссоциации которого образуются ионы меди Cu2+. Во внешней цепи электроны перемещаются от анода к катоду (это перемещение показано на рис. стрелкой).

Условие (1) определяет работу гальванического элемента, когда его цепь замкнута. Это условие выполняется в результате присоединения к клеммам гальванического элемента потребляя или измерительных приборов.

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

Проведём более полное определение: ЭДС это предельное значение разности потенциалов гальванического элемента, которое наблюдается в условиях равенства нулю тока во внешней цепи и когда устанавливаются все химические и локальные равновесия в фазах и на границы фаз, за исключением границы электрод- электрод.

Применительно к гальваническому элементу Даниэля Якоби разомкнутая цепь гальванического элемента представлена условием (1) без границе раздела Cu(+)/ Zn, которая обозначена вертикальной пунктирной линией.

В соответствии с условием (1) ЭДС разомкнутого гальванического элемента равна алгебраической сумме скачков потенциалов на границе раздела фаз:

 

Если пренебречь диффузионным потенциалом (при наличии солевого мостика он ничтожно мал), а контактный потенциал незначителен (или равен нулю после присоединения потребителя), то ЭДС медно-цинкового гальванического элемента будет равна:

 или 

ЭДС является количественной характеристикой работы гальванического элемента она показывает, насколько полно осуществляется процесс перехода химической энергии в электрическую. Принято считать, что величина ЭДС всегда положительна.

Так как абсолютное значение потенциала нельзя измерить, то пользуются значением условного потенциала. Условный потенциал данного электрода это ЭДС гальванического элемента, состоящего из стандартного водородного электрода (=0) и данного электрода на отрицательном полюсе гальванического элемента всегда идёт процесс окисления, на положительном- восстановления. полюс гальванического элемента определяется только по отношению ко второму электроду. На отрицательном полюсе гальванического элемента всегда идет процесс окисления, на положительном — восстановления. Полюс гальванического элемента определяется только по отношению ко второму электроду.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

83180. Несиметричні короткі замикання 71.15 KB
  Найбільш частим виглядом КЗ є несиметричні КЗ – однофазні, двофазні, двофазні на нейтраль. Вони є граничним випадком несиметричного навантаження. При несиметричних коротких замиканнях сталі струми короткого замикання досягають максимальних значень.
83181. Вентиляция, отопление и кондиционирование воздуха в производственных помещениях 68.08 KB
  Классификация систем кондиционирования. Вот некоторые задачи которые послужат для достижения этой цели: Выяснить значение кондиционирования воздуха. Классифицировать системы кондиционирования воздуха.
83182. Последствия советско-афганской войны 18.28 KB
  Военная служба была обязательна. У мальчиков, которые насчитали 18 или 19 лет возраста, не было выбора, кроме как служить в течение 2 - 3 лет. Новички для Афганистана получили бы 8-10 недели обучения прежде чем быть посланным в их отделения. Это обучение, конечно, не покрывало всю необходимую подготовку.
83183. Моя будущая профессия – инженер-строитель 22.28 KB
  Задачи: Рассмотреть разные профили инженера строителя Раскрыть основные проблемы дорожного строительства Когда мы задумываемся о своей будущей профессии в первую нас интересует ее полезность и практичность. Возьмём сферу дорожного строительства и на её примере рассмотрим основные функции строительства в общем так как из всех сфер строительства нашей...
83184. Франчайзинг товарный и производственный 36 KB
  Итак что же скрывает в себе это слово Под франчайзингом понимается ведение бизнеса под арендованным товарным знаком. Одна из первых успешных франчайзинговых систем была применена компанией Generl Motors. На сегодняшний день можно выделить три основных вида франчайзинга.
83186. Economics in our life 14.92 KB
  Much time was spent by people on the study of economics. This is a very ancient science. It existed even before emergence of electricity, cars and means of communications. But economics as the academic discipline is rather new.
83187. The problems of young people 15.64 KB
  All people have problems. Some people have a lot of problems, others have one or two. And no matter how old you are, you will still face difficulties in your life. We can solve some problems but some problems are very hard to solve.There are a lot of teenagers in our country.
83188. Війни виграють не генерали, війни виграють шкільні учителі 38 KB
  Мені здається, що сьогодні вчити і виховувати дітей складніше, ніж колись. Життя стало непередбачуванішим, з’явилося багато нової інформації, техніки, змінилося ставлення до деяких моральних цінностей. Я впевнена, що професія вчителя – одна з найважливіших у нашому суспільстві.