Elektrokémiai folyamatok - studopediya
1. folyamatai átalakítása kémiai energia egy reakciót elektromos energiává alakítják - van folyamatok akkumulátorok és az üzemanyagcellák.
2. Eljárások az átalakítás elektromos energia kémiai energiává - ez a folyamatok során fellépő áthaladását egyenáram révén az oldat vagy olvadék (elektrolízis).
A koncepció a potenciálja
Tekintsük az elektróda rendszer: fém elektródot bemerítjük a elektrolit - sóoldat.
1. Amikor elmerül eléggé aktív fémek (Zn, Fe, stb), hogy a vizes oldatot a felszínen a kölcsönhatás a fémionok vízzel dipólusok. Ennek eredményeként, a fémionok hidratált és oldatba megy, míg az elektronok maradnak a fémlemez és a fémbetét negatív. fémionok marad a szomszédos réteg közelében a fém az oldat felülete. Ennek eredménye egy kettős elektromos rétegű. Ktorov lehet hasonlítani egy kondenzátor.
Fig.24. Előfordulása a villamos kettős réteg a Zn - oldatot.
[Zn 2+. 2e] + m H2 O = Zn 2+ × m H2 O
kristály ¯ hidratált ion
maradnak kristályos. rács,
kompenzált otritsat. díj
Rövidített: Zn 0 - 2e = Zn 2+
Ahogy a koncentrációja az oldatban lévő fémionok a felületén, ezek kilép a fém csökken, és a valószínűsége, hogy a fordított folyamat növekszik. Egy reverzibilis dinamikus egyensúly. Az így kapott, a fém-oldat egyensúlyi körülmények között az úgynevezett egyensúlyi potenciális különbség az elektród potenciál a rendszer E (Me n + / Me).
Aktív fémek (. Cink, vas, stb) továbbra is küldeni annak ionok még tömény oldatok azok sói és mindig negatív töltésű - nevezzük elektronegatív. potenciális csepp a fém-oldat szokásosan tekinthető negatív értéket, például, Zn - 2E = Zn 2+. E (Zn 2+ / Zn) <0.
2. Amikor elmerül inaktív fém, például réz, az oldatban a sói (CuSO 4), sem a réz-ionok oldatba megy, hanem éppen ellenkezőleg, egy része a kationok az oldatból átmegy a réz elektróda által töltés polozhitelno.Rastvor ugyanazon a fémfelület miatt felesleges SO4 2- anionjai olyan feleslegben negatív töltés. A fém-oldat elektromos kétrétegű. Fémek, amelyek abból az ionok önkényesen híg oldatok azok sói és mindig pozitív töltésű, az úgynevezett pozitív töltésű.
25. ábra. Előfordulása a villamos kettős réteg a Cu - megoldás
Cu 2+ + 2e = Cu. E (Cu 2+ / Cu)> 0
3. Különösen töltésű fém foglal egy speciális platina, ami soha, semmilyen körülmények között, küldje el az ionok oldatban (egy nagyon erős kristályrács). Fordítva, ez lehet letölteni az összes kationt az oldatból, és annak kristályrácsban, mint tartály szolgál az elektronok, és a felszínen a platina típusú folyamatok játszódnak:
Fe 3+ + e = Fe 2+ vagy Sn 2+ - 2e = Sn 4+
Ebben az esetben, a lehetséges felmerülő fém-oldat fogja meghatározni a tulajdonságait a ionok a folyamatban részt vevő, például E (Fe 3+ / Fe 2 +)> 0, E (Sn4 + / Sn 2 +)> 0.
Az ilyen elektród rendszerek úgynevezett redox elektródák (Red - redukált forma, Ox - oxidált forma).
4. Ha a fedél platina platinakorom (finom eloszlású platina réteg), szerez a tulajdonságait az oldás és porlasztását gázokat (hidrogén és oxigén). Ha platina bele a savas oldatban, és hogy telített hidrogéngázzal, akkor a folyamat megy át a felületet:
Egyensúlyi potenciálja egy ilyen rendszer standard körülmények között (P = 101,3 kPa, T = 298 K, az aktív hidrogénionok koncentrációját a kénsavas oldatot 1 mol / l) figyelembe hagyományosan nulla, de maga a rendszer az úgynevezett standard hidrogén elektród: E 0 (2H + / H2) = 0 volt.
Ez az elektróda tulajdonképpen stabil üzemel, és az egy potenciális jól reprodukálható.
Következtetések: a fém-oldat elektromos kétrétegű - elektróda
potenciál. Az abszolút értéke az egyensúlyi potenciál nem mérhető. képes
mért vagy számított értékeit a relatív potenciálok.
Normális vagy standard redox (OM) képességeit.
A relatív potenciálját bármelyik elektródarendszer lehet kiszámítani a mért érték az elektromotoros erő a sejt, amely egy kívánt elektród és egy szabványos potenciál, amelyet ismert hagyományosan.
Bármilyen potenciális elektród rendszer standard körülmények között tartottuk (P = 101,3 kPa, T = 298 K, aktív koncentrációja minden ionok oldatot 1 mol / l), és mérik egy standard hidrogén elektród, az úgynevezett normál vagy normál OB potenciális. és jelöljük ± E ° (Ox / Red), V (vagy j °).
Ox - oxidált formában,
Piros - redukált formában.
A jel az elektród potenciálja az elektróda egybeesik a jel a sejtben, amely egy adott elektród és a hidrogén. Minden normális szabványos lehetőségeit foglalja össze a táblát vagy sorokat.
Példa. Galvanikus elment (-) Zn½ZnSO4 ½½H2 SO4 ½Pt (H2) (+),
Normál körülmények között, EMF = 0,764 V, E 0 (Zn 2+ / Zn) = -0764 voltot.
Ahelyett, hogy a hidrogén-elektród lehet használni más vonatkozási elektródok, a potenciálokat amelyek viszont ismert, tekintettel a hidrogén-elektród (hloridserebryany, kalomel et al.).
Meg kell jegyezni, hogy a szabály, ezeket a potenciálokat nem mérik, hanem számítva termodinamikai adatokat.
Közvetlen mérés potenciálok miatt nehéz a következő tényezők:
1. Metals szennyezéseket tartalmaznak.
2. A felület borítja oxid film.
3. Az egyensúlyi állapot jön létre, nagyon lassan.
4. Lehetséges mellékhatások folyamatok (például, az aktív fémek oldódik vízben).
Számos fémek feszültségek (száma aktivitás).
Ha fémek növekvően rendezve standard potenciális E OB 0 (Me n + / Me 0), megkapjuk számos fém stressz. Ebben a sorozatban is elhelyezett hidrogénatom is, amely, mint a fémek, adományoz egy elektron alkotnak egy pozitív töltésű ion.
Me 0 K. Ca. Al. Zn. Fe. Pb. H2. Cu. Ag. Au
E 0. V -2,92 -2,87 -1,66 -0,76 -0,44 -0,13 0 +0,34 +0,8 +1,5
1) kiszorítja egyes fémsók egyéb fémek az elektrokémiai sorban, hogy a jobb oldalán;
2) az összes fém, állva hagyott sorban hidrogén kiszorítják azt neokislitelyah savak és jobbra néző - nem oldódnak ezekben a savak;
3) több balra az elektrokémiai sorban egy fém, így aktív, az erősebb redukálószer és úgy viselkedik, így a nehéz ionok helyreállt.
A függőség a kapacitás a koncentrációja az ionokra oldatban. Nernst egyenlet
R = 8315 J / (K × mol) -molyarnaya gázállandó, F = 96500 Cl - Faraday állandó, T az abszolút hőmérséklet, n - az elektronok száma a folyamatban részt vevő, [Ox] és [Red] - moláris koncentrációja az oxidált és redukált képez mol / l (x és y - az együtthatókat az egyenletben a reakció). A hatóanyag koncentrációja a kondenzált állapotban veszik egyenlő 1.
A 25 ° C (298 K) a Nernst-egyenlet formájában:
Galvánelem (ET)
A berendezés, ahol a kémiai reakció energia alakul át elektromos energiává. Két elektróda rendszerek (két fél-cella).
Fig.26. Rendszer ET Daniel Jacobi
Az elektródok vannak csatlakoztatva egy vezeték (külső lánc - könnyű, Bell). A belső áramkör által le van zárva az ionok mozgását egy porózus membránt vagy elektrolitikus gombot.
Az elektródák GE folyamatok fordulnak elő:
(+) Cu 2+ + 2e = Cu - részesülő elektronok helyreállítási katód
Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu - teljes bruttó OB reakciót energia alakul át elektromos áram.
Folyamatos áramlási folyamatok az elektródok hozzájárul állandó marad potenciális különbség, és így a folyamatos elektronok átvitelét a Zn Cu (elektromos áram).
Feltételes Entry ET: (-) Zn½ZnSO4 ½½CuSO4 ½Cu (+)
Bejelentkezés ½½ - szimbóluma érintkezési elektrolit egy porózus membránon vagy elektrolitikus gombot.
E 0 (Zn 2+ / Zn) = -0764 B E 0 (Cu 2+ / Cu) = +0,34 B
ET negatív pólus (-) egy elektródarendszer egy kisebb kapacitású értéket.
OM különbség potenciálok hrakterizuyuschih katód és az anód folyamatok, meghatározza a sejt elektromotoros erő (EMF). EMF mindig pozitív érték.
Ahogy a munka elem csökken a feszültség és áram. Ez annak köszönhető, hogy a potenciális változás miatt a koncentráció-polarizáció az elektródák. A elektródát a kisülési tér miatt ionok történik változás a koncentrációjuk. Közel a cink elektród fémion koncentráció következtében nő, oldjuk fel, és a körül egy réz - esik, ami egy jelváltozás, és ezért a EMF.
Jellemzők EMF mérés.
1. Szükség van annak biztosítására, hiányában áram az áramkörben, hogy megakadályozzák a koncentráció-polarizáció elektródák (kompenzációs módszer is használható, vagy használja nagy impedanciájú voltmérő).
2. Szükséges torzulásának minimálisra csökkentése érdekében az elektromotoros erő miatt a diffúziós potenciál, amely akkor fordul elő a felületet a két elektrolit különböző összetétele és koncentrációja. Mivel a különböző diffúziós fokát ionok közötti határfelületen elektrolit elektromos dupla réteg és egy potenciális ugrás £ dif.
Ezután EDSizmer. E = (+) - E (-) + £ dif. Ahhoz, hogy csökkentsék nulu diffúziós potenciál közötti érintkezést az elektrolit az elektrolitikus szervezni kulcsot - összekötő teli edénybe koncentrált oldatával KC1. Mivel a magas koncentrációjú K + ionok és a C1 - vannak diffundált mind az elektrolit, és mivel a mobilitás ezen ionok azonos, az elektromos kettős réteg van kialakítva, és £ DIF .®0.
Ez galvánelemek, amelyben az égési reakciót közvetlenül alakítjuk egy elektromos áram: Üzemanyag - H2. CO, természetes és mesterséges éghető gázok, stb.; okislitel -, oxigén vagy levegő (kevesebb fluor- és klóratommal).
A tüzelőanyag-cella, mint a hagyományos ET anód, amelyhez egy redukálószer tápláljuk (üzemanyag) és a katód, amelyhez oxidáló szállított, vannak elválasztva ionvezető elektrolit (savak és lúgok, olvasztott sók, a szilárd-oxid).
Az elektródák esetében a gáz-halmazállapotú termékeket általában készült üreges porózus grafit csövek és lemezek. Katalizátorok amelyet az elektródákon -. Platina fém, ezüst, nikkel, kobalt és egyéb folyó-alakítási folyamat történik határán az érintkező elektróda az elektrolittal.
Példa. A hidrogén-oxigén üzemanyagcellás. Üzemanyag - H2. oxidáló - O2. elektrolit -
lúgos oldat: Anód: 2H2 + 4OH-t - - 4E = 4H2O
A teljes reakció: 2H2 + O2 = 2H2 O, az energia, amely ebben az esetben nem kerül kiosztásra a hő formájában, és közvetlenül alakítjuk elektromos energiává.
Magas égési hatásfok tevékenységének folytonossága, a nagy hőmérséklet-tartományban már lehetővé teszi, hogy használja üzemanyagcellák műholdak és űrhajók, valamint katonai célokra.
Elektrolízis - egy sor kémiai folyamatok során fellépő áramlás egyenáram révén az elektrolit oldat vagy olvadék. Az energia az elektromos áram alakul át az energia egy kémiai reakció.
27. ábra. Az elektrolitikus cellában
Telepítés elektrolízis hívják elektrolízis vagy elektrolitikus cella (fürdőszoba).
Külső DC végzi a szerepe a szivattyú „pumpák” az elektronok az elektróda csatlakozik a (-) pólus, és a „pumpák” elektronok egy elektród csatlakozik a (+).
Az elektróda (-) ionok lemerült, az elektronok képesek felvenni (helyreállítás), - katód.
Az elektróda (+) ionok lemerült képes adományozni elektronokat (oxidálódik), - egy anód.
Példa. (-) C ½rasplav MgCl2 ½ C (+) MgCl2 ¾¾¾® Mg 2+ + 2Cl -
A (-) jel azt jelzi, hogy ez az elektróda csatlakozik a negatív pólusa az egyenáramú áramforrás, azaz „Szivattyús” elektronok az elektródán. Ionok, fogadására alkalmas elektronok csökkenteni kell ezen elektród.
(-) Mg2 + + 2e = Mg vétel elektronok helyreállítási katód;
Fizeti ki a radar, amely jelzi a katód és az anód pólusok nem esnek egybe a jeleket az ETS. De minden esetben a katód mindig feldolgozza a hasznosítás, az anód - oxidációt.
Feszültségkülönbség, amelyet alkalmazni kell az elektródák beindítása érdekében a víz bontása, az úgynevezett tágulási lehetséges. Bármely pH Erazl. olvad. (H 2 O) @ 1,23 voltot.
Erazl. real> Erazl. olvad. Az ok - túlfeszültség elektródák.
A folyamatok végbe jelentős ütemben, meg kell alkalmazni az ilyen potenciális, amely biztosítja egy bizonyos áramsűrűség a katód (JK) és az anód (JA). A nagyobb az áramsűrűség, annál nagyobb a reakció sebességét (akár egy bizonyos határig). A grafikon a E (j) - az úgynevezett polarizációs (ez egy kísérleti parcella) görbét. Tól Fig.28 nyilvánvaló, hogy a folyamat a víz bontása a
Pt-elektródok pH 7-nél fordul elő a megfelelő sebességgel, ha a katód potenciális eltolódás egy inkább negatív régió tekintetében az elméleti (-0,41 V) és az anód potenciál - pozitív régió tekintetében az elméleti érték (0,815 Volt ). Offset igazi potenciált ionok mentesítés ezen elektróda nevezik az elméleti érték túlfeszrelé elektródát.
28. ábra. A katódos és anódos polarizációs görbéit a víz lebomlása során
Pt-elektródok pH = 7, és a szén elektródok pH = 7
A túlfeszültség Az elektróda számos tényező függvénye (összetétele elektrolit, az ion-koncentráció, áramsűrűség), de különösen az elektróda típusától.
A Pt-elektród túlfeszültségét hidrogén és oxigén kicsi, ezért lehetséges, hogy használja a táblázatba foglalt értékek, figyelembe véve a potenciálokat a közeg.
Minden más elektródák (szén, fém) - túlfeszültség a hidrogén és oxigén nagy és kell figyelembe venni. hidrogén potenciális műszakban akár az értéket (-0,8)¸(-1.0) V (bármely médiumban), és az oxigén kapacitás - értékig (+1,8) V (bármely médiumban).
Az elektrolízis a vizes sóoldat.
Só teljesen disszociál oldatban kationok és anionok (anionok), akik részt vehetnek a konkurens eljárásra a katód és az anód.
A katódos folyamatok - hasznosítás folyamatok lépnek fel az elektróda (-). Vizes sóoldatok helyreállítható:
a) fém-kationok, Me n + + ne = Me 0 ¯ - katód betét fémből;
b) hidrogén-ionok. 2H + + 2e = H2 (pH <7)
2H2 O + 2e = H2 + 2OH - (³ pH = 7)