Основи теоретичного матеріалу. Процеси перетворення хімічної енергії в електричну і навпаки називають електрохімічними

Процеси перетворення хімічної енергії в електричну і навпаки називають електрохімічними. При зануренні металу у водний розчин його солі частина його йонів переходить в розчин, а поверхня заряджається негативно. На межі «метал-розчин» виникає подвійний електричний шар з відповідною різницею потенціалів, яка називається електродним по потенціалом φ. Величина потенціалу електроду обчислюється за рівнянням Нернста:

φ = φ⁰ .

Для стандартних умов (T = 298 K, p = 10⁵ Па)

φ = φ⁰ .

За своєю хімічною активністю метали розташовані в ряд, який називається рядом стандартних електродних потенціалів. Кількісною характеристикою їх відновних властивостей є стандартний електродний потенціал φ⁰.

Найчастіше ці процеси відбуваються в системах, де існує контакт металічної поверхні з розчином електроліту. Ряд напруг металів характеризує поведінку металів і їх солей тільки у водних розчинах, оскільки потенціали враховують особливості взаємодії того чи іншого йону металу з молекулами розчинника. Ряд починається з літію, що пов’язано із винятково високою енергією процесу гідратації йонів літію в порівнянні із йонами інших лужних металів.

1) Чим більш негативний електродний потенціал металу, тим більші його відновні властивості.

2) Кожний метал витісняє (відновлює) із розчинів солей ті метали, які розміщені в ряду напруг металів після нього. Винятком є лише лужні і лужноземельні метали, які не будуть відновлювати йони інших металів із розчинів їх солей. Це пов'язано з тим, що в даних випадках з більшою швидкістю протікають реакції взаємодії металів з водою.

Система або пристрій для безпосереднього перетворення енергії хімічної реакції в електричну називається гальванічним елементом.

Прикладом такої системи є гальванічний елемент Даніеля – Якобі (рис. 4):

Рисунок 4 – Гальванічний елемент Даніеля – Якобі

Гальванічний елемент Даніеля - Якобі складається із цинкового і мідного електродів, занурених відповідно у розчини сульфатів цинку і купруму, які розділені пористою мембраною.

На цинковому електроді відбувається розчинення цинку з перетворенням його атомів на йони, а вивільнені електрони по провіднику переходять на мідний електрод, де відбувається розрядження катіонів Купруму, що супроводжується виділенням металічної міді (процес відновлення).

Під час роботи цинк окиснюється

Zn - 2ē = Zn²⁺ (окиснення),

а йони купруму відновлюються

Cu²⁺ + 2е = Cu (відновлення).

Сумарний процес:

Zn + Cu²⁺= Cu + Zn²⁺

Електрод, на якому відбувається окиснення, називається анодом (Zn); він заряджений негативно «–». Електрод, на якому відбувається відновлення – катодом (Cu); він заряджений позитивно «+».

Схему гальванічного елемента записують таким чином:

(–) Zn ׀ Zn²⁺ ׀׀ Cu ׀ ⁺² Cu (+),

де зліва анод, що показаний як (—) Zn ׀ Zn²⁺, а справа катод Cu ׀ ⁺² Cu (+), які розділені мембраною – ׀׀.

Максимальне значення напруги гальванічного елемента, що відповідає перебігу реакції в прямому і зворотному напрямках називається електрорушійною силою гальванічного елемента (ЕРС). Вона дорівнює різниці потенціалів між його електродами. За стандартних умов для елемента Даніеля – Якобі ЕРС зазначена в додатку Е.

ЕРС = φ°_кат. - φ°_ан. = +0,34 –(–0,76) = + 1,1 В.

Акумулятори — це прилади для накопичування хімічної енергії, яка в разі потреби може перетворюватися в електричну енергію. Вони здатні перетворювати нагромаджену хімічну енергію на електричну (при розрядженні), а електричну – на хімічну (при зарядженні).

Найбільше поширення і практичне застосування мають свинцевий і лужні акумулятори.

Свинцевий або кислотний акумулятор складається з двох електродів, занурених у розчин сульфатної кислоти
(22-28%-й). Один електрод (пресований PbO₂) є катодом, а другий (решітчаста пластина металічного свинцю) – анодом акумулятора. Схему свинцевого акумулятора можна записати так:

(–) Pb ‌‌ ׀ H⁺, SO₄^2- ׀ PbO₂ (+)

Для підготовки акумулятора до роботи проводять процес зарядження, коли через акумулятор пропускають постійний електричний струм і на електродах відбуваються електрохімічні процеси (рис. 5, а),

(-): PbSO₄ + 2ē → Pb + SO₄^{2 -}.

(+): PbSO₄ + 2H₂O — 2ē → PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2-,

Рисунок 5 - Схема роботи свинцевого акумулятора

Під час розряджання акумулятора на електродах відбуваються протилежні процеси (рис. 5, б):

(–): Pb + SO₄^2- – 2ē → PbSO₄ φ° = -0,36 В.

(+): PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- + 2ē → PbSO₄ + 2H₂O φ° = +1,86В.

EPC акумулятора Е° = φ°_кат. - φ°_ан. = +1,68 - (-0,36) = + 2,04 В.

Загальне рівняння реакції роботи свинцевого акумулятора має вигляд:

розрядження

Pb + 2H₂SO₄ + PbO₂ PbSO₄ + 2PbSO₄+2H₂O.

До лужних акумуляторів належать залізно-нікелевий, кадмієвий і срібно-цинковий акумулятори. Електролітом для них є 20 - 30 %-й розчин лугу KOH і LiOH. Зарядження і розрядження лужного залізо-нікелевого акумулятора відбувається за схемою:

розрядження

Fe + 2Ni(OH)₃ Fe(OH)₂ + 2Ni(OH)₂.

Електроліз – це сукупність окисно-відновних електрохімічних процесів, які відбуваються під впливом електричного струму на електродах, занурених у розчин або розплав електроліту. Важливу роль в процесі електролізу відіграє матеріал, з якого виготовлено електроди, особливо анод, який може окиснюватись. У зв'язку з цим розрізняють електроліз з інертними і активними анодами. Як інертні аноди використовують графіт, вугілля, платину, а як активні - будь-який метал, стійкий на повітрі і у вологому повітрі