Основы электрохимии

Содержание

Слайд 2

Zn, внесённый в раствор HCl, вступает в спонтанную реакцию Zn(тв) +

Zn, внесённый в раствор HCl, вступает в спонтанную реакцию
Zn(тв) + 2H+(aq)

→ Zn2+(aq) + H2(г).
Степень окисления Zn увеличилась с 0 до 2+.
Степень окисления H понизилась от 1+ до 0.
Следовательно, Zn окислился до Zn2+ и в то же время H+ восстановился H2.
H+ производит окисление Zn и является окислителем.
Zn производит восстановление H+ и потому является восстановителем.
Заметим, что восстановитель окисляется, а окислитель – восстанавливается.

ОВ - реакции

Слайд 3

Закон сохранения массы: количество любого элемента, вступившего в реакцию, должно сохраниться

Закон сохранения массы: количество любого элемента, вступившего в реакцию, должно сохраниться

до её окончания.
Сохранение заряда: электроны не теряются в ходе химической реакции.
В сложных редокс реакциях, мы должны тщательно следить за переносом электронов.
Полуреакции
Полуреакции являются удобным способом разделения реакций окисления и восстановления.

Уравнивание ОВ - реакций

Слайд 4

Полуреакции Полуреакциями в реакции окисления ионов олова (II) ионами железа (III)

Полуреакции
Полуреакциями в реакции окисления ионов олова (II) ионами железа (III)
Sn2+(aq) +

2Fe3+(aq) → Sn4+(aq) + 2Fe3+(aq)
являются
Sn2+(aq) → Sn4+(aq) +2e–
2Fe3+(aq) + 2e– → 2Fe2+(aq)
Окисление: электроны являются продуктами.
Восстановление: электроны являются реагентами.
Слайд 5

Уравнивание ОВ – реакций Методом полуреакций Рассмотрим титрование кислого раствора Na2C2O4

Уравнивание ОВ – реакций Методом полуреакций
Рассмотрим титрование кислого раствора Na2C2O4 (оксалата

натрия, бесцветного ) раствором KMnO4 (интенсивно пурпурным).
MnO4– восстанавливается до Mn2+ (бледно розового иона) в то же время ион C2O42– окисляется до CO2.
Точка эквивалентности определяется по появлению бледнорозового окрашивания.
Если добавить большее количество KMnO4, раствор станет пурпурным из-за избытка KMnO4.
Слайд 6

Уравнивание ОВ-реакций Методом полуреакций Рис. 1

Уравнивание ОВ-реакций Методом полуреакций

Рис. 1

Слайд 7

Уравнивание ОВ – реакций Методом полуреакций Напишите предполагаемое уравнение реакции и

Уравнивание ОВ – реакций Методом полуреакций
Напишите предполагаемое уравнение реакции и выделите

элементы, которые поменяли свои степени окисления (поставьте над ними эти степени);
2. Запишите две полуреакции, выписав реальные ионы или молекулы, участвующие в них (уже не указывая степеней окисления);
3. Уравняйте числа атомов в каждой полуреакции справа и слева, добавляя или вычитая в левой части уравнения необходимое число атомов О с помощью частиц среды (H2O, H+ или OH–);
Слайд 8

Уравнивание ОВ – реакций Методом полуреакций 4. Уравняйте заряды левой и

Уравнивание ОВ – реакций Методом полуреакций
4. Уравняйте заряды левой и правой

частей обеих полуреакций, добавляя или вычитая в левой части необходимое число электронов.
5. Умножьте каждую полуреакцию на подходящие множители (каждую на свой), так чтобы числа электронов прибавляемых в полуреакции восстановления, равнялись числу электронов, вычитаемых в полуреакции окисления.
6. Сложите левые и правые части обеих полуреакций, приводя подобные члены.
7. Перенесите полученные коэффициенты в уравнение реакции.
Слайд 9

Для реакции KMnO4 + Na2C2O4 в кислой среде имеем: (Мы видим,

Для реакции KMnO4 + Na2C2O4 в кислой среде имеем:

(Мы видим, что

раствор перманганата полностью обесцвечивается при внесении его в подкисленный раствор оксалата и выделяются пузыри СО2. Бесцветны ионы Mn2+. Отсюда следует правая часть реакции – её продукты).
1. Перепишем это уравнение (*) со степенями окисления:

Теперь очевидно, что ионы MnO4– являются окислителем (Mn понизил степень окисления с +7 до +2), а оксалат - ионы C2O42– выступают в роли восстановителя (С повысил степень окисления с +3 до +4).

(*) KMnO4 + Na2C2O4 + H2SO4 = MnSO4 + СО2 + K2SO4 + Na2SO4 +
(H2O)

Слайд 10

2. Две незавершённые полуреакции: (1) MnO4– → Mn2+ (2) C2O42– →

2. Две незавершённые полуреакции:
(1) MnO4– → Mn2+
(2) C2O42– →

2CO2

3. Уравниваем числа атомов в обеих полуреакциях. В (1) добавляем ионы H+ (8 частиц), тогда справа получим 4 молекулы H2O и числа атомов слева и справа будут равны. Правую часть (2) просто умножаем на 2. Получим полуреакции в виде:
(1) MnO4– + 8 H+→ Mn2+ + 4H2O
(2) C2O42– → 2CO2

Слайд 11

4. Уравниваем заряды левой и правой частей в каждой полуреакции с

4. Уравниваем заряды левой и правой частей в каждой полуреакции с

помощью электронов:
В полуреакции (1) заряд левой части +7, а правой +2, поэтому добавляем 5 электронов слева, а в (2) левая часть имеет заряд –2, а у правой заряд 0, поэтому вычтем из левой части 2 электрона:
(1) MnO4– + 8 H+ + 5 e → Mn2+ + 4H2O
(2) C2O42– – 2e → 2CO2

5. Чтобы уравнять числа электронов в обеих полуреакциях, умножим полуреакцию (1) на коэффициент 2, а полуреакцию (2) на коэффициент 5. Получим:
(1) 2 MnO4– + 16 H+ + 10 e → 2 Mn2+ + 8 H2O
(2) 5 C2O42– – 10e → 10 CO2

Слайд 12

6. Складываем левые и правые части этих полуреакций и получаем уравнение

6. Складываем левые и правые части этих полуреакций и получаем уравнение

реакции в ионно-молекулярном виде:
7. Переносим найденные коэффициенты в уравнение (*), и окончательно получим:

2 MnO4– + 16 H+ + 5 C2O42– → 2 Mn2+ + 8 H2O + 10 CO2

2KMnO4 + 5Na2C2O4 + 8H2SO4 = 2MnSO4 + 10СО2 +
K2SO4 + 5Na2SO4 + 8H2O

Слайд 13

Энергия, высвобождаемая в спонтанной редокс реакции, используется для выполнения электрической работы.

Энергия, высвобождаемая в спонтанной редокс реакции, используется для выполнения электрической работы.


Гальванические элементы (ячейки) являются устройствами , в которых перенос электронов происходит по внешней цепи.
Гальванические элементы работают спонтанно.
Если пластинку Zn поместить в раствор CuSO4, на Zn осаждается Cu и Zn растворяется, образуя ионы Zn2+.
Zn спонтанно окисляется до Zn2+ ионами Cu2+.
Ионы Cu2+ спонтанно восстанавливаются до Cu0 металлическим Zn.
Весь процесс – спонтанный.
Прежде, чем рассмотреть работу гальванического элемента, рассмотрим спонтанный процесс возникновения электрического потенциала.
Слайд 14

Рис. 2

Рис. 2

Слайд 15

Окисление и восстановление Рис. 3

Окисление и восстановление

Рис. 3

Слайд 16

Измерение электродвижущей силы электрохимического элемента. Рис. 4

Измерение электродвижущей силы электрохимического элемента.

Рис. 4

Слайд 17

В аппаратуре, показанной слева, если кран открыт, жидкость из сосуда А

В аппаратуре, показанной слева, если кран открыт, жидкость из сосуда А

будет свободно перетекать в сосуд В, поскольку сосуд А находится на более высоком энергетическом уровне. Он имеет более высокую потенциальную энергию. Можно теперь представить процесс восстановления – окисления, как аналогичный поток, но на этот раз речь идёт о потоке электронов.

Почему протекают окислительно-восстановительные реакции?
Конечно, всё дело в энергии.  Но чтобы ответить на этот вопрос, мы используем более известный пример. Будем рассуждать в терминах потенциальной энергии.

Слайд 18

Большее число сосудов с водой Если мы откроем А и В

Большее число сосудов с водой

Если мы откроем А и В одновременно,

жидкость будет перетекать из B в А. Если мы откроем А и С одновременно, жидкость будет перетекать из С в А.
Если мы откроем D и E одновременно, жидкость будет перетекать из E в D.
Если мы откроем B и F одновременно, жидкость будет перетекать из F в B.

Рис. 5

Слайд 19

Вместо вычерчивания подобной диаграммы и выяснения точных значений высот сосудов всё,

Вместо вычерчивания подобной диаграммы и выяснения точных значений высот сосудов всё,

что нам необходимо для предсказания направления потока – это расположить сосуды в соответствии с их высотами: Начиная с самого высоко расположенного сосуда:

E
F
B
C
A
D

Мы можем применить такую же стратегию для окислительно-восстановительных (редокс) реакций!

Слайд 20

Потенциал в электрохимии Разность потенциалов задаётся в единицах вольт (В). 1

Потенциал в электрохимии
Разность потенциалов задаётся в единицах вольт (В).
1

Вольт = 1 Джоуль / 1 Кулон (единицы энергии/ единицы заряда).

Потенциалы обычно приводятся в таблицах при стандартных условиях: 25oC (298 K), 1 M концентрации реагентов и продуктов (если реакции происходят в растворе), 1 атм давления для веществ, находящихся в газовой фазе.

Потенциал является количественной мерой движущей силы, «стоящей за» электрохимической реакцией.

Обычно в таблицах приводят стандартные потенциалы восстановления Eored (которые измерены при стандартных условиях).  Стандартный потенциал окисления является просто отрицательным стандартным потенциалом восстановления.
Поэтому для любого электрохимического элемента разность потенциалов определяется по уравнению:

Слайд 21

ΔEoэлем = Eo восстан.(катод. реак.) – Eo восстан. (анод. реак.) Если

ΔEoэлем = Eo восстан.(катод. реак.) – Eo восстан. (анод. реак.)
Если ΔEoэлем

> 0, то мы имеем дело со спонтанным процессом (гальванический элемент)
Если ΔEoэлем < 0, мы имеем дело с неспонтанным процессом (электролитическая ячейка).

Поэтому мы выбираем одну полуреакцию в полуэлементе в качестве стандартной, и относительно этого полуэлемента будут измеряться другие полуэлементы

Стандартный, Eored = 0 Вольт точно для:
2 H+ (aq, 1 M) + 2e–  →  H2 (газ, 1 атм)
Эта схема показана на следующем рисунке:

Слайд 22

Схема стандартного водородного электрода платинированный платиновый электрод поток водорода от баллона

Схема стандартного водородного электрода
платинированный платиновый электрод
поток водорода от баллона
раствор

кислоты с активностью H+ = 1 моль кг–1
гидрозатвор для предотвращения попадания кислорода
резервуар, через который следует присоединять второй полуэлемент гальванической ячейки. Он создаёт путь с ионной проводимостью для исследуемого работающего электрода.
Слайд 23

Рис. 6

Рис. 6

Слайд 24

Ячейка, потенциал которой предстоит измерить, включается против стандартного полуэлемента. Вольтметр показывает

Ячейка, потенциал которой предстоит измерить, включается против стандартного полуэлемента.  Вольтметр показывает

0.76 В. Однако, очевидно, что спонтанный поток электронов протекает с Zn электрода на стандартный электрод (полуэлемент). Таким образом, потенциал восстановления иона Zn2+(aq) равен (– 0.76 В).
Поскольку стандартный водородный электрод (СВЭ) неудобен в обращении (так как он использует газообразный водород), вы будете использовать Cu2+/Cu полуэлемент в качестве стандарта (который имеет потенциал 0.34 В по отношению к СВЭ).
Слайд 25

Слайд 26

Рис. 7

Рис. 7

Слайд 27

СТАНДАРТНЫЙ ВОДОРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОД (СВЭ). Рис. 8

СТАНДАРТНЫЙ ВОДОРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОД (СВЭ).

Рис. 8

Слайд 28

Рис. 9

Рис. 9

Слайд 29

Слайд 30

При написании электродных потенциалов отдельных электродов принято их записывать в сторону

При написании электродных потенциалов отдельных электродов
принято их записывать в сторону

реакции восстановления.
Например:
Например, Очевидно, что у двух электродов из разных металлов
потенциалы обязательно будут различаться. Тот электрод у
которого при их соединении в гальванический элемент потенциал
выше называют катодом, а второй электрод (его потенциал меньше
– анодом.
Электроны всегда переходят с анода на катод, и анод всегда
окисляется (отдаёт электроны), т.е. на нём протекает полуреакция
ОКИСЛЕНИЯ.
Естественно, на катоде будет протекать полуреакция
ВОССТАНОВЛЕНИЯ (присоединения электронов)
В гальваническом элементе обязательно возникнет ток, который
протекает по проводам в виде электронов, а через растворы в
катодном и анодном полуэлементах - ток протекает в виде ионов.)
Слайд 31

И если составить гальванические элементы из водородного электрода, расположенного всегда, например,

И если составить гальванические элементы из водородного электрода,
расположенного всегда, например,

слева, и поочерёдно любого другого
электрода (металлического, газового или электрода второго рода –
ион-селективного (например хлорсеребряного или каломельного),
расположенного справа от водородного, то гальванометр, включённый
в цепь построенного элемента, будет показывать направление тока с
Одними электродами слева направо, а с другими справа налево.
Это означает, что водородный электрод, потенциал которого приравнен
искусственно нулю, служит в одних построенных элементах катодом, а
в других – анодом.
Следовательно, мы обязаны всем измеряемым потенциалам относительно
стандартного водородного электрода приписать знак (+) или (‒)

Если металл при растворении в кислоте (например, соляной или
разбавленной серной) вытесняет из неё газообразный Н2 , и,
следовательно, ионы Н+ из кислоты отобрали электроны у атомов
металла, т.е. окислили его, а сами восстановились до Н2 , то потенциал
металла считается отрицательным а если некоторый металл в указанных
кислотах не растворяется, то его потенциал считают положительным,
относительно водородного электрода, потенциал которого приравнен 0.

Слайд 32

Рассмотрим например гальванические элементы, которые можно образовать из приведённых ниже электродов.

Рассмотрим например гальванические элементы, которые можно образовать из приведённых ниже электродов.

Мы видим, что все потенциалы записаны для полуреакций, протекающих на них, в сторону восстановления (присоединения электронов). Однако, при составлении любого гальванического элемента один из электродов (с меньшим потенциалом) окажется анодом, а другой (с более высоким – катодом). катодом

Например, в паре электродов Cu и Ni первый (из них Сu) окажется катодом
и на нём при протекании тока будут восстанавливаться ионы меди Cu2+
из раствора соли меди (в который он погружён (например CuSO4) и
концентрация ионов меди в растворе будет уменьшаться , а на никелевом
электроде, погружённом в раствор соли Ni2+ (например, NiCl2) будет
протекать реакция окисления Ni, из которого изготовлен электрод, и
переход ионов Ni2+ в раствор, а потому концентрация в растворе этих
ионов будет расти. И Ni – электрод есть анод.

(*)

Слайд 33

Но если построить гальванический элемент из того же Ni – электрода

Но если построить гальванический элемент из того же Ni – электрода

и Zn – электрода, погружённого в раствор соли Zn, например, нитрата Zn(NO3)2 , то в нём Ni – электрод окажется катодом, поскольку его ОВ- потенциал (‒0,25 V) выше потенциала Zn – электрода (‒0,76 V) (анода). Поэтому ионы Ni2+ из раствора NiSO4, будут восстанавливаться до металлического Ni, а атомы Zn, из которых образован Zn- электрод, будут окисляться до ионов Zn2+ и переходить в раствор, повышая их концентрацию.

В 4-х уравнениях , обозначенных символом (*) приведены стандартные
электродные потенциалы 4-х электродов: 3-х металлических Cu, Zn
и Ni и одного газового водородного электрода, в котором находятся
в равновесии молекулы Н2 (насыщающие металлический электрод
из Pt, поскольку Pt очень хорошо растворяет в себе молекулярный
водород и превращает молекулярный Н2 в атомарный : Н2 → 2Н.
Такой электрод погружен в 1н раствор кислоты (например, серной)
и находится в равновесии с атомарным водородом, “сидящим” на
поверхности Pt – электрода. Потенциал водородного электрода
принят равным 0.

Слайд 34

1

 

 

1

Слайд 35

Рис. 10

Рис. 10

Слайд 36

Рис. 11

Рис. 11

Слайд 37

Рис. 12

Рис. 12

Слайд 38

Майкл Фарадей (1791–1867) Рис. 13

Майкл Фарадей (1791–1867)

Рис. 13

Слайд 39

Рис. 14

Рис. 14

Слайд 40

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ НА ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ. Электродный потенциал зависит от концентрации, поскольку

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ НА ЭЛЕКТРОДНЫЕ
ПОТЕНЦИАЛЫ.

Электродный потенциал зависит от концентрации, поскольку он

является мерой движущей силы полуреакции. Например, в концентрированных растворах ионы меди (II) восстанавливаются до элементного состояния Cu значительно легче, чем в разбавленных. Поэтому с повышением концентрации раствора электродный потенциал этого процесса будет также возрастать.
В общем случае концентрации реагирующих веществ и продуктов полуреакции оказывают заметное влияние на величину электродного потенциала. Рассмотрим общую обратимую полуреакцию:

aA + bB + …+ ne ⇄ cC + dD + …

где A,B, …C,D, … - реагирующие вещества (заряженные и незаряженные), е – электроны; a,b,..c,d… - число молей каждого участника реакции.

Слайд 41

Теоретически можно показать, что потенциал Е для этого процесса определяется соотношением

Теоретически можно показать, что потенциал Е для этого процесса определяется соотношением

(1)

где

Е0 – константа, называемая стандартным электродным потенциалом, характеризующая каждую отдельную полуреакцию;
R – газовая постоянная, равная 8,314 В·Кл·К-1·моль-1;
Т – абсолютная температура; n – число электронов, участвующих в полуреакции; F – число Фарадея (96500 Кл);
ln – натуральный логарифм равный 2,303 lg10 .
Слайд 42

После подстановки численных значений констант и перехода к десятичным логарифмам уравнение

После подстановки численных значений констант и перехода к десятичным логарифмам уравнение

(1) принимает вид:

(2)

Здесь а – активность веществ, участвующих в полуреакции. Во многих случаях замена активностей на концентрации не приводит к большой ошибке. Таким образом, если вещество растворимо
а ≌ концентрация в моль/л.
Если реагент газообразный,
а ≌ парциальное давление газа в атм.
Уравнение (1) называется уравнением Нернста.

Слайд 43

Применение уравнения Нернста иллюстрируется следующими примерами: Zn2+ + 2e ⇄ Zn(тв),

Применение уравнения Нернста иллюстрируется следующими примерами:
Zn2+ + 2e ⇄ Zn(тв),

Активность элементного

(металлического) цинка по определению равна единице, и поэтому электродный потенциал пропорционален логарифму активности ионов цинка в растворе.

 

или

Слайд 44

2) Fe3+ + e ⇄ Fe2+ , Этот электродный потенциал можно

2) Fe3+ + e ⇄ Fe2+ ,

Этот электродный потенциал можно

измерить, погрузив инертный металлический электрод (например Pt) в раствор, содержащий железо (II) и железо (III).
Потенциал зависит от отношения активностей этих ионов.

3) 2H+ + 2e ⇄ H2(газ) ,

Здесь pH2 – парциальное давление водорода (в атм) на поверхности электрода. Обычно pH2 очень близко к атмосферному давлению.

Слайд 45

4) Cr2O72– + 14 H+ + 6e ⇄ 2 Cr3+ +

4) Cr2O72– + 14 H+ + 6e ⇄ 2 Cr3+ +

7H2O,

В данном случае потенциал зависит не только от активностей ионов хрома (III) и дихромат – ионов, но и от активности ионов водорода.

5) AgCl (тв.) + e ⇄ Ag (тв.) + Cl–,

Слайд 46

Рис. 15

Рис. 15

Слайд 47

AgCl (тв.) + e ⇄ Ag (тв.) + Cl–, Эта полуреакция,

AgCl (тв.) + e ⇄ Ag (тв.) + Cl–,


Эта

полуреакция, описывающая поведение серебряного электрода, погруженного в раствор хлорид – ионов, насыщенный хлоридом серебра, является суммой двух реакций:
AgCl (тв.) ⇄ Ag+ + Cl–,
Ag+ + e ⇄ Ag (тв.)
В данном случае активности и металлического серебра и хлорида серебра равны единице по определению.

Потенциал серебряного электрода будет зависеть только от активности хлорид – ионов.

Слайд 48

Каломельный электрод — это электрод, используемый в качестве электрода сравнения в

Каломельный электрод — это электрод, используемый в качестве электрода сравнения в гальванических

элементах. Каломельный электрод состоит из платиновой проволочки, погружённой в каплю ртути, помещённую в насыщенный каломелью раствор хлорида калия определённой концентрации. Схематически его записывают следующим образом: Pt|Hg|Hg2Cl2|Cl−.

Каломель : Hg2Cl2

Уравнение окислительно-восстановительного процесса, протекающего в каломельном электроде, имеет вид:

Hg22+ + 2e ⇄ 2Hg0

Слайд 49

Уравнение Нернста для него может быть записано следующим образом: Здесь -

Уравнение Нернста для него может быть записано следующим образом:
Здесь - стандартный

электродный потенциал процесса восстановления ионов , — активность ионов в растворе. Поскольку каломель является малорастворимым соединением, активность ионов связана с активностью хлорид - ионов через величину произведения растворимости :

Hg22+ + 2Cl– ⇄ Hg2Cl2(тв),

Слайд 50

С учётом этого уравнение Нернста может быть записано следующим образом: Потенциал

С учётом этого уравнение Нернста может быть записано следующим образом:

Потенциал каломельного

электрода зависит, таким образом, только от температуры и активности хлорид-ионов. На практике обычно используется насыщенный раствор KCl; в этом случае потенциал насыщенного каломельного электрода зависит только от температуры и составляет 0.2412 В при 25 °C.

Достоинством насыщенных каломельных электродов является хорошая воспроизводимость потенциала. Они работоспособны при температурах до 80°C; при более высоких температурах начинается разложение каломели. Ввиду токсичности ртути, содержащейся в каломельных электродах, в настоящее время они применяются сравнительно редко.

Слайд 51

Поскольку очень часто при использовании электрохимических методов исследования используются электрохимические элементы,

Поскольку очень часто при использовании электрохимических методов
исследования используются электрохимические элементы,


работающие как электролитические ячейки, рассмотрим процесс электролиза более подробно .
Электролиз есть окислительно-восстановительный процесс
разложения электролита под действием электрического тока.
Слайд 52

2 режима работы электрохимических элементов Электрохимический элемент работает как ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ элемент,

2 режима работы электрохимических
элементов

Электрохимический элемент
работает как

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ элемент, в нём протекают самопроизвольные химические реакции, которые генерируют электричество
Электрохимический элемент работает
В ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОМ
режиме: к нему прикладывается внешняя разность потенциалов для того, чтобы вызвать некоторую химическую реакцию

Полный элемент состоит из:
анода
катода
замкнутой цепи (для потока электронов)
солевого мостика (обычно!)
раствора электролита
химических форм, которые участвуют в реакции.

Слайд 53

ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ Несамопроизвольные реакции требуют внешнего тока для того, чтобы

ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
Несамопроизвольные реакции требуют внешнего тока для того, чтобы

заставить реакцию протекать.
Реакции электролиза являются несамопроизвольными.
И в гальванической и в электролитической ячейках:
Восстановление спонтанно протекает на катоде, а
окисление спонтанно протекает на аноде.
Однако, в электролитических ячейках, электроны вынуждены перетекать с анода на катод.
В электролитических ячейках анод является положительным а катод – отрицательным электродом. (В гальванических ячейках анод – отрицателен, а катод положителен.)
Слайд 54

Рис. 16

Рис. 16

Слайд 55

Электролиз расплавов Пример, разложение расплавленного NaCl. Катод: 2Na+(ж) + 2e– →

Электролиз расплавов
Пример, разложение расплавленного NaCl.
Катод: 2Na+(ж) + 2e– → 2Na(ж)
Анод: 2Cl–(ж)

→ Cl2(г) + 2e–.
В промышленности электролиз применяют в производстве металлов, например Al.
Электролиз водных растворов с активными электродами
Активные электроды: электроды которые принимают участие в электролизе.
Пример: электролитическое покрытие.
Слайд 56

Рис. 17

Рис. 17

Слайд 57

Электролиз с активными электродами Рассмотрим активный Ni электрод и другой металлический

Электролиз с активными электродами
Рассмотрим активный Ni электрод и другой металлический электрод,

помещённый в водный раствор NiSO4:
Анод: Ni(тв) → Ni2+(aq) + 2e-
Катод: Ni2+(aq) + 2e- → Ni(тв).
Ni осаждается на инертном электроде.
Электропокрытие важно для защиты объектов от коррозии.
Слайд 58

Количественные аспекты электролиза Мы хотим знать сколько материала мы получим при

Количественные аспекты электролиза
Мы хотим знать сколько материала мы получим при

электролизе.
Рассмотрим восстановление Cu2+ до Cu.
Cu2+(aq) + 2e- → Cu(тв).
2 моль электронов высадят 1 моль Cu.
Заряд 1 моля электронов равен 96,500 Кл (1 F = 1 Фарадею).
Поскольку Q = It, количество Cu можно подсчитать по величине тока (I) и по времени (t), потраченному на осаждение.
Слайд 59

Электрическая Работа Свободная энергия – есть мера максимального количества полезной работы,

Электрическая Работа
Свободная энергия – есть мера максимального количества полезной работы, которое

можно получить в системе.
Мы знаем
Если работа отрицательна, то работу выполняет система и E положительна.
ЭДС можно считать мерой движущей силы в редокс процессе.
Слайд 60

Электрическая Работа В электролитической ячейке требуется внешний источник энергии , чтобы

Электрическая Работа
В электролитической ячейке требуется внешний источник энергии , чтобы вынудить

реакцию протечь.
Для того чтобы продвинуть несамопроизвольную реакцию внешняя эдс должна быть больше, чем Eэлем.
Из физики : единица мощности - ватт:
1 Вт = 1 Дж/с.
Работа (энергия) измеряется в киловатт- часах :
Слайд 61

Рис. 18

Рис. 18

Слайд 62

ЭЛЕКТРОЛИЗ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА Рис. 19

ЭЛЕКТРОЛИЗ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА

Рис. 19

Слайд 63

Электролиз воды Катод: Анод: Рис. 20

Электролиз воды

Катод:

Анод:

Рис. 20

Слайд 64

Эта полуреакция, описывающая поведение серебряного электрода, погруженного в раствор хлорид –

Эта полуреакция, описывающая поведение серебряного электрода, погруженного в раствор хлорид –

ионов, насыщенный хлоридом серебра, является суммой двух реакций:
AgCl (тв.) ⇄ Ag+ + Cl–,
Ag+ + e ⇄ Ag (тв.)

В данном случае активности и металлического серебра и хлорида серебра равны единице по определению. Потенциал серебряного электрода будет зависеть только от активности хлорид – ионов.

Слайд 65

Суммирование важных соотношений из термодинамики, теории равновесий и электрохимии Рис. 21

Суммирование важных соотношений из термодинамики, теории равновесий и электрохимии

Рис. 21

Слайд 66

Рис. 22

Рис. 22

Слайд 67

Walther Nernst (1864 _1941) Рис. 23

Walther Nernst (1864 _1941)

Рис. 23

Слайд 68

Электрохимический элемент с нестандартными условиями Рис. 24

Электрохимический элемент с нестандартными
условиями

Рис. 24

Слайд 69

Концентрационный элемент Рис. 25

Концентрационный элемент

Рис. 25