Лекции по химии (стр. 5 из 6)

Электрод-гетерогенная эл-хим система состоящая из электронно-проводящей фазы (металл или полупроводник), к-ая находится в контакте с ионным проводником. На границе раздела фаз происходит электродный процесс

Электродный процесс - реакция между компонентами фаз, в результате к-ой происходит переход электрических зарядов из одной фазы в др. Каждая фаза при этом приобретает заряд и на границе их раздела двойной электрический слой, к-ому соответствует электродный пот-л.

Пот-л определяющий процессы – окис-вос реакции, протекающие на электродах Ох+ne=Red

Различают обратимые и необратимые элеткроды

Обратимые – на поверхности к-х происходит одна и та же реакция, но в различных направлениях при пропуске тока в различных направлениях.

Необратимые – на поверх-сти к-х при пропускании тока в различных направлениях происходят процессы, не являющиеся обратными друг другу.

Из обратимых электродов составляются обратимые эл-хим пары, к-ые наз гальваническими элементами. Несколько гальвонич элементов, соединенных последовательно наз цепью (электрохимической).

В-ва, находящ в р-ре, указываются слева от вертикальной черты, справа указыв в-ва, образующ др фазу или электрический пот-л.

Если в р-ре находится несколько ионов, участвующих в процессе, их символы разделяются запятой

У-ия электродных реакций записываются таким образом, чтобы слева располагались в-ва в окислительн форме и электроны, справа в восстановит форме. Для эл-хим элементов

Слева – эелемент, имеющий больший отриц пот-л

Справа – элемент, имеющ больший полож пот-л

Растворы двух электродов разделяются 2 вертикальными чертами, если при создании гальванического элемента используют солевой мостик.

Электрической характеристикой электрода является электродный пот-л, а эл-хим цепи ЭДС

Уравнение Нернста

Рассмотрим обратимый электрод, работающий при постоянной температуре и давлении.

Для обратимого изотермического процесса справедливо уравнение изотермы реакции – ΔG=-RT·lnK+RT·lnK

Изменение изобарно-изотермического пот-ла=максимальной положительной работе.

При Т=const активность твёрдой фазы величина=const близкая к 1

Уравнение Нернста из расчёта пот-ла электрода меньше обратимого относ катиона.

Уравнение расчёта пот-ла электрода обратимого относ аниона.

ЭДС гальванического элемента опр предельное значение разности пот-лов, когда ток через него стремится к 0

Классификация электродов(2 типа)

1 рода:

~ металл или неметалл, погруженные в раствор, содержащий его ионы

к ним относятся:

- электроды обратимые относительно катиона(металлы, погруженные в раствор собственных солей)

- электорды обратимые относительно аниона (неметалл, погруженные в раствор собственных солей)

- амальгамные электроды(раствор металла ртути)

амальгамы металла, которые находятся в контакте с растворами с ионами данного металла

- газовые электроды н/р водородный

стандартный пот-л водородного электрода при любой температуре = 0

2 рода:

~ сложные системы, состоящие из металлов, покрытые слоем его труднорастворимого соединения и погружённого в раствор электролита, содержащего тот же анион, что и труднорастворимое соединение

к ним относятся:

– калонейные

– ионоселективные электроды (н/р стеклянные)

для приготовления хлорсеребряного электрода обычно используют одно-молярный раствор хлорида калия

т.к. пот-л таких электродов не зависит от концентрации измеряемых ионов, то он хорошо воспроизводится в различных растворах, поэтому ф-ия данного электрода – служить электродом сравнения.

Для электродов с водородозависимой ф-ией, н/р для водородного, назначение – индикаторный или измерительный электрод.

Для практических целей используют условные вел-ны, характеризующие пот-лы различных электродов относительно пот-ла электрода, выбранного за стандартный. Таким эталоном явл стандартный водородный электрод. Из стандартного водородного электрода и электрода, пот-л к-ого нужно опр составляют гальвонич элемент так, чтобы водородный электрод был левым. Тогда ЭДС такого гальвонич элемента будет = пот-лу исследуемого электрода.

®0

Если при работе такого гальвонич элемента электрод заряжается отриц по отношению к водородному электроду, то его пот-л будет иметь знак «-» и металл переходит в р-р ввиде ионов. Полож пот-л означает, что ионы металла при работе гальвонич элемента из р-ра переходят на электрод и он заряжается полож относит стандартного.

Располагая металлы в ряд по возраст их стандартн пот-лов получен ряд напряжения металлов.

Классификация эл-хим цепей

Два основных вида:

1) химические

2) концентрационные

1) химические состоят из электродов, пот-лы, определяющие реакции к-х различны

а) простые: в них оба эл-да погружены в р-р одного и того же электролита и в них отсутствует диффузионный пот-л.

Н/р водородный и хлорсеребряный электроды погружены в р-р соляно кислоты (Pt)H₂½H⁺½Ag, AgCl

(Pt)H₂½HCl½Ag, AgCl

б) сложные: имеют границу раздела между двумя растворами , в которые погружаются электроды. На границе раздела растворов возникает диффузионный пот-л. Н/р цинковый и медный электроды погружены в растворы своих солей. Zn½Zn²⁺½½Cu²⁺½Cu

Zn½ZnCl₂½½CuSO₄½Cu

ЭДС всех перечисленных элементов определяется как разность пот-лов правого и левого электродов Хим цепи используются при создании хим источников тока

2) концентрационные состоят из электродов с одинаковыми пот-лами определяющими реакциями, которые отличаются друг от друга активностью участвующих в них вещ-в

а) 1 рода: состоят из 2 одинаковых по природе электродов, которые различаются активностью, но погруженных в один и тот же раствор электролита. Н/р концентрационные амальгамные цепи

(Hg)Zn½ZnSO₄½Zn(Hg)

(Hg)Zn½Zn²⁺½Zn(Hg)

a1 > a2

в электродах такого типа, чем больше активность металла в амальгаме тем отрицательнее пт-л.

суммарный процесс вводится к переносу металла из амальгама более концен-ой в менее конц-ую

б) 2 рода: состоят из двух одинаковых электродов, но погруженных в 2 раствора одного и того же электролита с различной активностью ионов. Н/р серебряная концентрационная цепь

Ag½AgNO₃½½AgNO₃½Ag

чем больше активность ионов, тем больше пот-л

суммарный процесс сводится к переносу ионов из более конц растворов в менее.

Преимущества химические источников тока

· Портативность

· Бесшумность работы

· Процессы идут при температуре окружающей среды

· Без выделения веществ

В случаях, когда требуется получение большого количества энергии за короткое время, используют аккумуляторы, когда требуется ток малой величины и малое время, используют батарейки.

Химические источники тока подразделяются:

-- По назначению:

- Первичные (1 раз)® батарейки

- Вторичные (много)® аккумуляторы

-- По конструкции

- Элементы с загущенным электролитом (непролив.)

- Элементы с жидким электролитом (наливные)

-- По особенностям работы

- С твердыми окислителями

- Элементы воздушных систем

- Смешанные

Сухой элемент предложен Леклонше (1876г.) марганцево-цинковый элемент. Используется электролит в загущенном виде (загуститель крахмал вещества). Применяется для питания аппаратуры связи и бытовых приборов.

Анод – цинк

Катод – графитовый стержень с оксидом 4-х валентного марганца MnO2.

Электролитом является паста (хлорид аммония с добавлением муки или крахмала)

ZnúNH₄ClúMnO₂

A: Zn®Zn²⁺+2e

2Zn²⁺+NH₄Cl®[Zn(NH₃)₄]Cl₂+ZnCl₂+4H⁺

K: Восстановление Mn⁴⁺ к Mn³⁺

MnO₂+H⁺+e®MnOOH

Суммарное уравнение токообразующей реакции

2Zn⁰+4MnO₂+4NH₄Cl®4MnOOH+ZnCl+[Zn(NH₂)]Cl₂

A K E=1,5B

Сухой кислородно-цинковый элемент

ZnúNH₄ClúO₂

Катодным деполяризатором является кислород воздуха, током отвода – активированный уголь, пропитанный водоотталкивающим веществом.

Катод – полый угольный цилиндр, внутренняя полость которого обеспечивает доступ кислорода. Снаружи он соприкасается с загущенным электролитом.

O₂+2Zn+4NH₄Cl®ZnCl₂+[Zn(NH₃)₄]Cl₂+2H₂O

E=1,4B

Ртутно-цинковый

Катод – оксид ртути с графитом и запрессованный в отдельный корпус

Анод – цинковый порошок с добавкой 1% ртути, который запрессовывается в крошку электролита

Электролит – 40% гидроксид калия с добавкой 5% оксида цинка. Им пропитывают фильтрованную бумагу, которую помещают между электродами.

HgO+2KOH+Zn®K₂ZnO₂+H₂O+Hg

E=1,34B

Элементы хранятся много лет и работают при температуре до 130⁰ и используется в приемниках, слуховых аппаратах и кардиостимуляторах.

Наливные

Можно увеличивать напряжение так как на аноде металл с более электроотрицательным потенциалом (Mg). Однако такие аноды в водных растворах окисляются, выделяя водород, что ведет к саморазряду аккумулятора при хранении. Поэтому разработаны элементы, которые хранятся в сухом виде и электролит заливают перед началом работы.

Свинцово-кадмиевый

CdúH₂SO₄úPbO₂

PbO₂+H₂SO₄+Cd®PbSO₄+CdSO₄+2H₂O

E=2,2B

Аккумулятор – устройство, в котором происходит взаимные превращения электрической энергии в химическую и наоборот.

В них под действием внешнего источника тока накапливается химическая энергия, которая затем переходит в электрическую. Процесс накопления химической энергии называется зарядкой аккумулятора, процесс превращения химической энергии в электрическую – разрядкой.