Змістовний модуль 2
Тема № 11.
Электродные потенциалы
И электродвижущая сила гальванических элементов
11.1 Электрохимические процессы
11.2 Электрод
11.3 Электродный потенциал
11.4. Водородный электрод
11.5 Уравнение Нернста
11.6 Гальванический элемент
11.7 Анод
11.8 Катод
11.9 Концентрационные гальванические элементы
11.10 Аккумуляторы
Входная информация
Приступая к изучению данной темы, Вам необходимо восстановить в памяти (или восполнить) знания из прошлых периодов обучения:
- из курса средней школы: понятие об активности металлов (ряд Н.Н Бекетова), электролиты, диссоциация солей.
- из курса «Химия» для студентов технических специальностей: окисление, восстановление, окислительно-восстановительные процессы, энтальпия
Структура темы
Электроды. Обратимые и необратимые электроды. Электродные потенциалы. Скачки потенциалов на границе фаз.
Водородный электрод.
Стандартные электродные потенциалы.
Зависимость электродных потенциалов металлов от температуры и концентрации растворенного вещества. Уравнение Нернста.
Классификация обратимых электродов.
Электроды первого рода.
Электроды второго рода.
Ионоселективные электроды
Гальванические элементы.
гальванические элементы с активными электродами.
гальванические элементы с пассивными электродами.
концентрационные гальванические элементы.
Аккумуляторы (обратимые электроды)
1. Электроды. Обратимые и необратимые электроды. Электродные потенциалы. Скачки потенциалов на границе фаз.
Если процессы окисления (10.1) и восстановления (10.2) пространственно разделить, то любую окислительно-восстановительную реакцию (10.3) можно использовать для получения электрической энергии.
Электрохимические процессы (11.1) — процессы, которые сопровождаются возникновением электрического тока (электрической энергии), или протекающие под воздействием электрического тока. Поскольку в растворах электролитов содержатся подвижные положительные и отрицательные ионы, то эти растворы проводят электрический ток.
Рассмотрим системы металл – растворитель и металл – электролит. В этих гетерогенных системах в зависимости от природы металла и электролита возможен переход ионов металла в раствор или ионов металла из раствора на поверхность металла. Эти процессы определяются отношением энтальпии (4.10) отрыва иона от кристаллической решетки металла (ΔHреш) и энтальпии сольватации этого иона Mn+∙ solv(ΔHsolv).
Если концентрация ионов металла в растворе меньше равновесной, то при погружении металла в раствор равновесие смещается вправо, что приводит к отрицательному заряду на металле по отношению к раствору. Если малоактивный металл погружен в раствор соли с концентрацией больше равновесной, то происходит переход ионов из раствора на металл, заряженный положительно (рис.1). В любом случае возникает двойной электрический слой, и появляется разность электрических потенциалов, или гальвани-потенциал.
Рис.1 Схема двойного электрического слоя (а) и (б); распределение заряда в объеме электролита (в)
Электродом (11.2) называется система, состоящая из металла, погруженного в раствор электролита, то есть электроды в электрохимии – это системы из двух токопроводящих тел: проводников 1 и 2 рода. В проводниках первого рода носителями заряда служат электроны, а в проводниках второго рода носителями заряда служат ионы.
Химические источники тока делятся
первичные (необратимые)
вторичные (обратимые).
Первичные источники не перезаряжаются, т.е. израсходованные активные материалы в них не могут быть регенерированы или заменены, и батарею электропитания приходится выбрасывать. Вторичная (аккумуляторная) батарея может быть перезаряжена. Израсходованные активные материалы в ней могут быть регенерированы, и такая батарея электропитания допускает многократное повторное использование. Топливный элемент теоретически имеет неограниченный срок службы, поскольку в нем пополняется израсходованный активный материал (топливо), а продукты реакции выводятся.
Абсолютное значение разности потенциалов на границе двух фаз разной природы металл│электролит измерить нельзя, однако можно измерить разность потенциалов двух различных электродов.
Электродный потенциал(11.3) элемента — это мера энергии, вырабатываемой в ходе протекающих в нем реакций. Это разность электрических потенциалов между электродом и находящимся с ним в контакте электролитом (чаще всего между металлом и раствором электролита).
Значения электродных потенциалов для обратимых электродов определяются относительно некоторого электрода, потенциал которого условно принят за нулевой. Таким эталонным электродом выбран водородный в стандартных условиях.