Лекция по химии на тему "Электродные потенциалы и электрохимические процессы"

ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПОТЕНЦИАЛАХ и

 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

В основе всех электрохимических процессов лежит теория возникновения скачка потенциалов на границе металл - электролит, предложенная Нернстом. Основные положения этой теории заключаются в следующем:

1. Металлы имеют кристаллическое строение. В узлах решеток расположены катионы и атомы, а в межузловом пространстве электроны, называемые электронным газом. Между катионами и атомами происходит непрерывный обмен электронами.

Катионы образуются из атомов в процессе их обратимого окисления:

Zn - 2ē ⇄ Zn²⁺

Оторвавшиеся электроны переходят в межузловое пространство и участвуют в образовании металлической связи.

2. Абсолютно нерастворимых веществ не существует. И если металлическую пластинку погрузить в полярный растворитель, то она начнет поверхностно растворяться. Процесс частичного растворения металла заключается в следующем. Полярные молекулы воды за счет ион – дипольного взаимодействия притягиваются к поверхностным ионам металла, вырывают их из узлов кристаллической решетки и катионы в гидратированном состоянии переходят в водную среду. При этом пластинка заряжается отрицательно за счет избыточных электронов. Отрицательно заряженная пластинка притягивает катионы перешедшие в воду и не дает им свободно распространиться по всему объему. Ионы металла плотно прилегающие к его поверхности образуют адсорбционный слой, а ионы металла, находящиеся в объеме воды, составляют диффузный слой.

В результате на границе металл – вода возникает двойной электрический слой ДЭС, вследствие, которого между металлом и водой создается разность потенциалов, называемая электродным потенциалом металла.

По мере выхода ионов металла из пластины в воду заряд ДЭС увеличивается и тогда начинается обратный процесс возврат ионов металла из раствора на пластину. В результате, между металлом и водой устанавливается подвижное химическое равновесие, которое можно изобразить уравнением:

Me + mH₂O ⇄ Me(H₂O)_mⁿ⁺ + n ē

где Me(H₂O)_mⁿ⁺ - гидратированные ионы металла, n – заряд ионов металла.

Потенциал, устанавливающийся в состоянии динамического равновесия, называется равновесным электродным потенциалом данного металла Е. Определить можно только относительные значения равновесного потенциала. В качестве стандарта взят водородный электрод, электродный потенциал которого условно принят за нуль. Стандартным электродным потенциалом Е^о называется разность потенциалов, которая возникает между нормальным водородным электродом и электродом данного металла, погруженного в раствор его соли с концентрацией ионов металла 1моль/кг. Водородный электрод представляет собой платиновую пластину, погруженную в раствор H₂SO₄, с концентрацией ионов Н 1моль/кг.

Электродный потенциал зависит от следующих факторов:

1. Природа металла: чем меньше энергия ионизации металла, тем более отрицательное значение принимает электродный потенциала металла и тем более металл электрохимически активен.

2. Активность металла: Она определяется положением металла в ряду стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений). Чем левее расположен металл в этом ряду, тем выше его восстановительная активность и ниже окислительная способность его катиона в растворе и наоборот.

В связи со значением электродных потенциалов металлы делятся на три группы:

1 Активные от Li до Zn

2. Средней активности от Fe до H

3. Неактивные правее H.

Все металлы (активные, средней активности и неактивные) в воде, растворах кислот заряжаются отрицательно, а раствор положительно.

Если же металл погрузить в раствор собственной соли, то его заряд будет зависеть от соотношения скоростей перехода ионов в раствор и обратно. У активных металлов выше скорость перехода катионов металла из узлов кристаллической решетки в раствор; поэтому они заряжается отрицательно, а раствор положительно. У неактивных металлов выше скорость возврата катионов из раствора в вакансии кристаллической решетки, поэтому они заряжаются положительно, а раствор отрицательно.

Способность металла отдавать ионы в раствор характеризуется электролитической упругостью растворения (ЭУР), способность принимать их из раствора ионным осмосом. У активных металлов выше ЭУР, у неактивных металлов - ионный осмос. Следовательно, активные металлы в растворах собственных солей при стандартных условиях заряжаются отрицательно, а неактивные положительно. Стандартными условиями являются давление 101,3 КПа, температура 298К и концентрация катионов металла в растворе 1моль/кг растворителя.

3. Концентрация ионов металла в растворе: С повышением концентрации катионов металла уменьшается переход ионов металла в раствор и увеличивается их переход из раствора на металл, что приводит к смещению электродного потенциала металла в сторону положительных значений. Зависимость величины электродного потенциала от концентрации его катионов в растворе выражается уравнением Нернста:

Ес = Ео + 0,059´ℓg Сm / n, где

Ес - потенциал металла при концентрации его катионов в растворе равной Сm

Ео – стандартный электродный потенциал металла

Сm – моляльная концентрация

n – заряд катиона металла