Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Гальванические элементы. Электролиз

Понятие об электродных потенциалах. Электродным потенциалом называют скачок потенциала, возникающий на границе «металл-раствор» электролита. На границе «металл-раствор» существует подвижное равновесие, которое можно выразить уравнением

М ⇄ Мⁿ⁺ + n e⁻ (9).

Ионы металла гидратируются (10), и суммарное равновесие можно представить

Мⁿ⁺ + m H₂O ⇄ Мⁿ⁺(H₂O)_m; (10)

М + m H₂O ⇄ Мⁿ⁺(H₂O)_m + n e⁻. (11)

Переход ионов металла в раствор сопровождается потерей электронов атомами металла, т.е. является процессом окисления. Обратный процесс – превращения гидратированных ионов металла в атомы – процесс восстановления.

Состояние равновесия (11) зависит от величины энергии ионизации атома и концентрации его ионов в растворе. Если концентрация ионов в растворе меньше равновесной, то при погружении металла в раствор равновесие (11) смещается вправо, ионы металла переходят в раствор, электроны же остаются на поверхности металла, обуславливая его отрицательный заряд по отношению к раствору. По мере дальнейшего перехода ионов металла в раствор отрицательный заряд на поверхности металла увеличивается.

Увеличивается и скачок потенциала на границе металл – раствор электролита, пока не устанавливается равновесие (11) с соответствующим ему потенциалом.

Для неактивных металлов равновесная концентрация [Мⁿ⁺] в растворе очень мала. Если такой металл погрузить в раствор его соли с концентрацией ионов большей, чем равновесная (11), то наблюдается обратный процесс перехода ионов из раствора в металл. В этом случае поверхность металла получит положительный заряд, а раствор – отрицательный за счет анионов, остающихся в растворе.

Равновесию реакции окисления-восстановления (11) отвечает потенциал Е_м, называемый электродным потенциалом (ЭП). Значение Е_м количественно характеризует способность металла отдавать электроны, т.е. его восстановленные свойства.

Е_м зависит от свойств металла, концентрации ионов и температуры, измеряется в вольтах. Эта зависимость выражается формулой Нернста

Е_м = Е⁰_м + · ln[Mⁿ⁺(Н₂O)_m], (12)

где Е_м⁰ – стандартный потенциал при [Мⁿ⁺(Н₂O)m] = 1, в вольтах (в) (приложение 3);

R – универсальная газовая постоянная 8,3144 Дж/(моль × К);

T – температура абсолютная, ⁰K;

n – зарядность иона металла;

F – константа Фарадея (96478 K);

Если в формулу (12) подставим значения R, F и Т (25°С) и заменим натуральный логарифм десятичным, то получим

Е_м = Е_м° + lg [ Мⁿ⁺(H₂О)_m.

Так как методов прямого измерения электродных потенциалов не существует, обычно определяют относительные электродные потенциалы. С этой целью измеряют ЭДС гальванического элемента, составленного из стандартного водородного электрода, ЭП которого условно принимают за нуль, и электрода исследуемого металла.

Гальванический элемент. Гальванический элемент – это химический источник электрической энергии, которая получается за счёт окислительно-восстановительного процесса. При этом реакция окисления происходит на одном электроде (аноде), а реакция восстановления – на другом (катоде). Роль анода играет металл с более низким значением электродного потенциала (Е_а<Е_к).

Соединив с водородным электродом в гальванический элемент другой полуэлемент, можно определить ЭДС, а по ней – относительный стандартный потенциал данной пары.

ЭДС (Е_D) гальванического элемента равна разности электродных потенциалов катода и анода:

Е_D = Е_К - Е_А.