Загрузил Василий Демидов

Электрохимические процессы и электрохимические системы

Реклама
12. Электрохимические процессы
12.1. Электрохимические процессы
и электрохимические системы
Электрохимические процессы - это взаимное превращение
химической и электрической форм энергии.
Электрохимическая система – это устройство, в котором
осуществляются такие превращения.
В основе электрохимических процессов лежат окислительновосстановительные реакции. Окислительно-восстановительная реакция –
это сумма двух одновременно протекающих полуреакций: окислительной
(отдача электронов) и восстановительной (присоединение электронов).
Многие окислительно-восстановительные процессы можно осуществить
двумя способами: химическим и электрохимическим.
При химическом способе (например, к раствору окислителя KMnO4
приливается раствор восстановителя Na2SO3 или в раствор соляной кислоты
помещается гранула цинка) электроны непосредственно переходят от
восстановителя к окислителю при их хаотическом столкновении. При этом
химическая энергия самопроизвольно протекающей ОВР превращается в
тепловую.
При электрохимическом способе проведения ОВР, который
осуществляется в электрохимических системах, окислительная и
восстановительная полуреакции пространственно разделены; хаотический
перенос электронов преобразован в направленный процесс от восстановителя
к окислителю через внешнюю цепь. И как следствие этого – бόльшая часть
химической энергии ОВР превращается не в тепловую, а в электрическую.
Так, в случае реакции взаимодействия металлического цинка с раствором
CuSO4 для осуществления химического способа ОВР в раствор CuSO4
погружают гранулу цинка. Цинк вскоре покрывается слоем меди, т.е.
протекает реакция
Zn + CuSO4  ZnSO4 + Cu,
0
2+
Zn - 2 e  Zn (окислительная полуреакция);
Cu2+ + 2 e  Cu0 (восстановительная полуреакция).
При сложении этих полуреакций получим ионное уравнение суммарной
или полной ОВР: Zn0 + Cu2+  Zn2+ + Cu0. Эта реакция протекает
самопроизвольно (G<0). Вся энергия этой химической реакции
выделяется в виде теплоты (H<0).
Для осуществления электрохимического способа этой реакции
используется специальное устройство – электрохимическая система, которая
называется гальваническим элементом Даниэля–Якоби (рис.12.1). Система
содержит два металлических стержня (из цинка и из меди), соединенных
металлическим проводником. Каждый стержень (электрод) погружен в
раствор соли соответствующего металла, причем растворы солей соединены
солевым мостиком.
Солевой мостик (электролитный замыкатель) – это стеклянная трубка,
заполненная концентрированным раствором электролита (обычно - водным
раствором KCl).
Рис. 12.1. Схема гальванического элемента Даниэля–Якоби:
1 – цинковый стержень; 2 – раствор ZnSO4; 3 – солевой мостик;
4 – медный стержень; 5 – раствор CuSO4
Электрод – это проводник, имеющий электронную проводимость и
находящийся в контакте с ионными проводником.
При замыкании внешней цепи на цинковом стержне, погруженном
раствор ZnSO4, происходит полуреакция окисления Zn0 – 2 e  Zn2+, а на
медном стержне, погруженном в раствор CuSO4, происходит полуреакция
восстановления Cu2+ + 2 e  Cu0.
Сумма
двух
сопряженных
процессов
есть
окислительно2+
0
2+
восстановительная реакция Zn + Cu  Cu + Zn . Вследствие этой
химической реакции в электрохимической системе возникает движение
электронов во внешней цепи и ионов внутри системы, т.е. электрический ток,
поэтому суммарная ОВР, протекающая в системе, называется
токообразующей реакцией.
На рис. 12.1 представлена схема одного из многих вариантов конструкции
электрохимической
системы.
Однако,
несмотря
на
возможные
конструкционные различия, все электрохимические системы непременно
имеют основные элементы: металлические (или полупроводниковые)
электроды и электролит (раствор, расплав или твердый) с границами раздела
фаз: электрод-электролит, металл-металл, электролит-электролит.
Если в электрохимических системах в результате самопроизвольно
протекающей
окислительно-восстановительной
реакции
возникает
электрический ток (химическая энергия превращается в электрическую), то
такие системы работают как химические источники тока (гальванические
элементы и аккумуляторы).
Если в электрической системе с помощью внешнего источника
постоянного тока осуществляются химические превращения на электродах
(электрическая энергия превращается в химическую), то такая цепь работает
как электролизер.
Скачать