Основи хімії (стр. 15 из 21)
Там де концентрація мала – цинк буде заряджатися , а де велика + , (хімічні процеси проходять так само, як у мідно – цинкового елемента).
Окисно – відновні елементи
У окисно відновних елементах електродами найчастіше є малоактивний метал або графітові стержні.
Розчини однакової концентрації, але різні, наприклад і
→
→
донор акц.
елект. елект.
окислення відновлення
Окисленими формами (ОФ) будуть:
і
Відновленими формами (ВФ) будуть:
і
Найбільшу спорідненість до електрону проявляє більш активний метал він і буде притягувати електрони від
2ē→ окислення
+ 2ē → відновлення
В результаті утворюються потік електронів від олова до заліза, а між електродами утворюється електродний потенціал, який називається окисно-відновним, або редоксіпотенціалом.
Електрод-окислювач це електрод, який приймає електрони із зовнішнього ланцюгу (акцептор) і є позитивним полюсом гальванічного елемента (
Електрод - відновлювач це електрод, який віддає електрони у зовнішній ланцюг (донор) і являється негативним полюсом гальванічного елемента (
ЕРС такого елемента буде: Е =
Крім елемента Даніеля – Якобі, трохи пізніше, з‟являються сухі елементи. Марганцево – цинковий абоЛекланше.
У якого негативним полюсом служить цинковий стаканчик, а позитивним – вугільний стержень, спресований у пакет із діоксида марганцю ( ) в суміші з графітом і сажею. Електролітом є паста із
4ē →
→
+ 4ē →
4ē
Газоподібний водень у цьому випадку не виділяється, що характерно для сухих елементів.
Окисно-ртутні елементи (мають меншу вагу і більший строк служіння)
/ 40% КОН /
Ртутно – індієві елементи – ще кращі, ніж окисно – ртутні.
40% КОН
У гальванічних елементах по мірі його роботи ЕРС буде зменшуватися. Це явище називається гальванічною поляризацією. Найчастіше поляризація спостерігається у позитивного електроду, де можуть розряджатися іони Н , утворюючи при цьому водневу подушку.
У меншій мірі підлягає поляризації негативний електрод, але концентрація іонів металу у розчині зростає, перехід нових іонів зменшується.
Усунення поляризації називається деполяризацією, а речовини які використовуються
для цього називають деполяризаторами. Це: О …
Ємність гальванічного елемента залежить від розмірів електродів і кількості електроліту і визначається:
, де
І – струм розрядки. час розрядки.
Паливні елементи
У паливних елементах електродами служать мілкопористі нікельові пластини.
Електролітом – – 40% КОН. Паливом – частіше Н , СО, природний газ , вугілля, спирт...
4е–
Електрони по зовнішньому ланцюгу переходять на катод:
О + 2Н О + 4е– 4ОН– катодне відновлення)
Гідроксильні іони у розчині рухаються від катода до анода:
2Н + О2Н О
Схема паливного елемента:
–
К К Д. (Коефіцієнт Корисної Дії) – теплових електростанцій 30
К.К.Д. паливних елементів
У всьому світі паливним елементам пророкують майбутнє. Що буде побачимо.
Атомні батареї
На поверхність напівпроводника (германія або кремнія) наносять шар радіоактивного стронцію – β – частинки вибивають із напівпровідника електрони, які рухаються в одному напрямку і накопичуються на колекторі.
На колекторі установлюється різність потенціалів 0,2 Строк дії 20 років. Стабільність напруги.
Зєднуючи рамки між собою, можна одержати бажану напругу.Сонячні батареї
На поверхність напівпровідника кремнію наносять шар бора, який дуже чутливий до світла. Світло вибиває із напівпровідника електрони, які рухаються в одному напрямі і накопичуються на колекторі. Різність потенціалів 0 . З‟єднуючи рамки між собою можна одержати високу напругу.
Недолік: повинно бути завжди світло.
Лекція 11. Електроліз і його застосування
План.
1. Суть електролізу. Катодне відновлення і анодне окислення.
2. Послідовність розрядки іонів у електродів. Другорядні процеси при електролізі.
3. Електроліз з розчинним і нерозчинним анодом.
4. Закони Фарадея. Вихід по струму.
5. Потенціал розкладення. Перенапруження.
6. Явище поляризації.
7. Застосування електролізу.
Суть електролізу. Катодне відновлення та анодне окислення.
Електролізом називається окисно-відновний процес, що протікає на електродах при проходженні постійного електричного струму крізь розплав або розчин електроліту. При цьому йде перетворення електричної енергії у хімічну
Коли у розплав або розчин опустити електроди до яких підключений постійний електричний струм, до катоду мінус ( ) , а до аноду плюс (+) , то хаотичний рух іонів становиться упорядкованим. Позитивні починають переміщатися до негативного полюсу – катоду і тому називається катіонами, а негативні іони – до позитивного полюсу – аноду і називаються аніонами.
Суть електролізу заключається в тому, що на катоді йде відновлення, а на аноді – окислення. Тобто, що виділяється на катоді, а що на аноді.
При проведені електролізу користуються різними електродами. Електроди бувають нерозчинні – , вугільні. Усі інші розчинні. Розглянемо декілька випадків електролізу.
1. Електроліз розплаву NaCl
Схема гальванічної ванни.
→
+ 1ē →
2ē → ↑
На катоді йде процес відновлення катіонів натрію електронами зовнішнього джерела струму.
На аноді йде процес окислення аніонів хлору, при чому відрив електронів йде тим же самим джерелом струму.
В цьому випадку на катоді виділяється натрій, а на аноді хлор.
2. Електроліз водного розчину NaCl. При цьому бере участь вода.
→
Н О →
2Н О + 2ē → ↑
2ē → ↑
Так як потенціал води = 0,414в, то коли йде електроліз водного розчину солі, де потенціал металу менший потенціалу води, то відновлюється у такому разі не іони металу, а водню із води.
Таким чином на катоді виділяється H2↑. На аноді Cl2↑ Як помітили, натрій і гідроксильна група (ОН,) не виділяються.
Натрій у вигляді іонів ( ) буде знаходитися у розчині, притягуючись до катода, де з іонами води (ОН) утворює лужне середовище. Тому його можна виявити індикатором фенолфталеїном.
Помічено, що метали, які знаходяться у ряду напруг до алюмінію включно, не виділяються із водних розчинів на електродах при електролізі, замість них йде електроліз води і виділяється водень
Вихід по струму таких металів дорівнює 0. 3. Електроліз водного розчину FeSO4 .
→
Н О →
+ 2ē →
2Н О 4ē → ↑
У цьому випадку залізо знаходиться у ряду напруг після алюмінію, тому почне відновлюватися на катоді, тобто виділятися. При цьому іони водню (Н ) будуть накопичуватися біля катоду.
До аноду підходять іони і Виявляється, що іони утримують електрони
міцніше, ніж ОН іони води. Тоді на аноді буде йти окислення води і виділятися ↑
Тому у цьому випадку на катоді буде виділятися залізо, а на аноді ↑. Катіони водню (Н ) і аніони ( ) , будуть знаходиться у розчину.
Помічено, що залишки безкисневих кислот (Cl-, I-, Br-, S-2, СN-…) виділяються на електродах при електролізі з водних розчинів, а залишки кисневих кислот (SO42-, SO32-, NO3-, PO43- …) не виділяються, замість них йде окислення води і виділяється O2↑.
А тепер давайте проведемо електроліз наступної солі і вияснемо, що буде виділятися на катоді та аноді.
4. Електроліз водного розчину СaSO4.
Сa → Сa
Н О →
2Н О + 2ē → ↑
2Н О 4ē → ↑
У цьому випадку до катоду підходять іони Сa і . Так як кальцій находиться у ряду напруг до алюмінію, то він виділяться не буде. Замість нього виділиться водень із води.
До аноду підходять іони і . Кислотний залишок не виділиться, замість нього виділиться кисень із води.
Таким чином одержати Сa і неможливо. Одержимо і Разом ці гази називаються гримучий газ. Тому маленька іскра і може статися великий вибух. У розчині йде нагромадження іонів Сa
До цього ми розглядали процеси електролізу, які відбувалися при нерозчинних електродах.
Але в промисловості застосовують і розчині аноди.
5. Електроліз водного розчину CuSO4з розчинним анодом.
С → С
Н О →
+ 2ē →
2ē →
→ другорядні процеси:
У цьому випадку у розчині будуть іони С
До катоду підходять іони С і Будуть виділятися мідь і цинк
На аноді розчиняється цинк, іони цинку виходять у розчин і підходячи до катоду відновлюються і осідають на ньому.
2ē →
Таким чином анод розчиняється і переходить на катод. На катоді відкладаються два