Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Июль » 10 » 22. Электрохимия, гальванический элемент
16:05
22. Электрохимия, гальванический элемент

Мы много раз касались свойств и поведения электронов. Поэтому представляет существенный интерес рассмотреть взаимосвязь электронов, имеющих отношение к химическим связям и свойствам атомов, с одной стороны и электрическим током, с другой стороны.

Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике, по типу частиц подразделяют на электронный и ионный ток. Ток возникает между точками, в которых имеется разность потенциалов. Иными словами, это путь между центром отталкивания и центром притяжения, для данных частиц. Как правило, под понятием электрический ток, имеют в виду упорядоченное движение электронов в куске металла.

Все электрохимические процессы протекают в, так называемом, двойном электрическом слое, возникающем при погружении электрода в раствор электролита, на границе раздела фаз между поверхностью металла и жидкостью. Двойным его называют из-за образования двух противоположно заряженных слоев. Первый, из которых возникает из-за ухода из металла катионов (вырванных диполями воды) или, напротив, адсорбции на поверхность катионов из жидкой среды. Второй, появляется после миграции из раствора анионов (из-за их притяжения к первому слою) которые "рыхло” выстраиваются в, так называемом, "дисперсионном слое”.

Основными электрохимическими процессами являются: работа гальванического элемента, коррозия и электролиз. Рассмотрим первый из них.

Гальванический элемент – химический источник тока, представляющий собой замкнутую цепь из анода, катода, электролита (в данной терминологии, электролит – среда, пропускающая электрический ток) и внешних клемм. Клеммы представляют собой токопроводящие крепежные элементы, предназначенные для подсоединения гальванического элемента к проводникам электрической цепи.

Работа гальванического элемента основана на разнице в активности металлов катодной и анодной пластин. Иными словами, на различной энергии выхода иона металла в раствор из пластины, погруженной в раствор. Вместо энергии выхода иона, обычно пользуются понятием электродный потенциал металла, который тесно связан с электроотрецательностью, радиусом иона и валентностью металлов. Существует специальный ряд стандартных электродных потенциалов, сокращенный вариант которой представлен на рисунке 1.

Рисунок 1.

В этом ряду активность металлов увеличивается с право на лево, то есть, чем левее находится металл в этом ряду, тем легче его ионы покидают металлическую поверхность, переходя в раствор ("соблазнившись” на отрицательный заряд на диполях воды). К примеру, металлы с лития по натрий, при погружении в воду, энергично насыщают ее катионами, превращая в раствор щелочи. Получившийся раствор при этом вскипает от нагрева и пузырьков водорода. Металлы правее меди могут лежать хоть на дне океана многие века, практически не растворяясь.

Этот ряд также полезен тем, что при взаимодействии кислород содержащих кислот и металла, продукты реакции зависят от положения металла в этом ряду. Металлы левее марганца при реакции с кислотой, дают соль и газообразный водород. Металлы правее водорода, дают соль, воду и оксид неметалла в степени близкой к высшей (для азотной, например, NO2). Металлы средней части при реакции дают соль, воду и низший оксид неметалла (для азотной, NO).

Коррозия – процесс аналогичный работе гальванического элемента, поэтому разберем их параллельно. Примером коррозии может служить ржавление стали, при этом происходит постепенный переход ионов железа 2+ с поверхности металла в воду. В воде ион железа встречает два гидроксила и, после окисления до 3+ кислородом воздуха, является основой ржавчины. При этом, оставшиеся без своих гидроксильных групп, два катиона водорода притягиваются к поверхности металла, получивший в результате выхода некоторого количества катионов металла отрицательный заряд. При контакте с поверхностью металла катионы водорода забирают два электрона, оставшиеся после катиона Fe2+, и став электронейтральными, образуют молекулу водорода.

Так как, выходящий катион металла мешает катионам водорода своим положительным зарядом, то последние вынуждены приблизится к поверхности металла в другом месте. Электроны, оставшиеся после катиона металла, таким образом, проходят через металл путь от точки выхода иона до точки, где они перейдут в собственность протонам водорода. На этом пути, электроны, фактически представляют собой электрический ток.

Выход ионов металла с поверхности происходит проще и быстрее в местах дефектов: царапины, трещины, границы зерен структуры, острые грани каска и пр. Поэтому, весь поверхностный слой металла представляет собой сплошное переплетение "проводников” с током. Если внимательно посмотрите на изъеденную ржавчиной поверхность металла, то увидите некоторый рисунок из раковин, трещинок, выпуклостей и др., это "художества” гальванических процессов в двойном электрическом слое у поверхности металла.

Сейчас вернемся к нашей батарейке, и представим, что выше рассмотренный процесс разнесен на две разные пластины, опущенные в электролит. Из первой пластины выходят ионы металла, а у второй пластины катионы водорода забирают оставшиеся электроны. Разумеется, металл первой пластины должен быть намного активнее, чем второй пластины. Если теперь соединим эти пластины проводником не касающимся воды, то по нему побежит электрический ток.

Напряжение тока при этом, будет равно разнице в стандартных электродных потенциалах металлов, из которых сделаны пластины (именуемые электродами). А сила тока будет прямо пропорциональна интенсивности выхода ионов более активного металла в раствор. Кто забыл со школьной скамьи, напомню, напряжение тока – это разница потенциалов точек, между которыми протекает ток. Иными словами, это желание электронов перенестись из одной точки ("-”) в другую ("+”). Сила тока – это количество электронов, проходящее через сечение проводника за единицу времени. Напряжение принято выражать в вольтах, ток в амперах.

Сила тока находится как напряжение в вольтах, деленное на сопротивление электрической цепи в омах. При этом, напряжение зависит от разницы в электродных потенциалах материалов анода и катода. Анод – отрицательный электрод батареи, катод – положительный электрод. То есть, анод должен быть изготовлен из более активного металла, дабы растворяться и отдавать в цепь электроны. На катоде происходит восстановление водорода.

Электродный потенциал каждого металла определен относительно стандартного водородного электрода, то есть платинового электрода с адсорбированными на его поверхности молекулами водорода. Потенциал водородного электрода принят за ноль. Металлы находящиеся левее на рисунке 1 имеют отрицательные значения потенциала, металлы правее имеют положительные значения потенциала. Максимальная разница потенциалов будет наблюдаться для пары электродов: литий-золото.

Электролитом в лабораторных гальванических элементах обычно служит водный раствор кислоты (обычно серной). Для чистоты измерений, анод и катод помещают в разные емкости, соединяя их трубкой с влажным хлоридом калия (так как, размеры катиона калия и аниона хлора практически одинаковые по размеру, и они не будут искажать потенциалы обоих электродов).

Так находят стандартную разность потенциалов, при повышении концентрации ионов анодного металла, интенсивность его растворения будет падать, и разность потенциалов снижаться. На этом основано действие концентрационных гальванических элементов. Они работают за счет разной концентрации ионов металла (из которого сделаны оба электрода) в растворах, в которые погружены эти электроды. На рисунке 2 изображена схема концентрационного гальванического элемента. Желтым цветом обозначен солевой мостик с KCl, зеленым цветом обозначен раствор с низкой (или нулевой) концентрацией ионов металла (из которого сделаны электроды). А синим цветом – насыщенный раствор соединения данного металла.

Рисунок 2.

При этом, уже имеющиеся в растворе ионы металла будут несколько препятствовать выходу в раствор новых ионов. Поэтому на электроде, опущенном в менее концентрированный раствор будет избыток электронов, он будет анодом. Стрелкой показано направление движения электронов. Ясно, что как только концентрации выровняются, гальванический элемент прекратит работу.

Категория: Фундамент | Просмотров: 2154 | Добавил: Chemadm | Теги: гальванический потенциал, электролиз, Гальваника | Рейтинг: 4.9/15
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]