Теоретические сведения

Под электрохимическими процессами понимаются процессы, сопровождающиеся превращением химической энергии в электрическую и электрической энергии в химическую.

Электрохимические процессы относятся к окислительно-восстановительным. В окислительно-восстановительных реакциях электроны непосредственно переходят от восстановителя к окислителю. При электрохимических процессах полуреакции окисления и восстановления пространственно разделены, а электроны переходят от восстановителя к окислителю по внешнему проводнику.

При погружении металлической пластинки в раствор собственной соли образуется металлический электрод (см.рис.8), при этом возникает двойной электрический слой на границе раздела двух фаз: металл-раствор, это обусловлено тем, что под действием полярных молекул растворителя ионы кристаллической решетки металла переходят в раствор электролита, а избыток электронов заряжают поверхность металлической пластины отрицательно (в случае цинкового электрода, т.к. ). В случае с медной пластинкой, ее поверхность будет заряжаться положительно, т.к.и ионы Cu²⁺ из раствора будут осаждаться на ее поверхности.

Рис.8

Преобразование химической энергии в электрическую осуществляется в устройствах, называемых гальваническими элементами.

Один из типов гальванических элементов представляет собой систему (см. рис.9), состоящую из двух металлических пластин – проводников I рода (электронный проводник), погруженных в растворы электролитов- проводников II рода (ионный проводник).

Рис. 9. Гальванический элемент. Солевой мостик заполнен электролитом, обычно KCl или NH₄NO₃, который является проводником ионов.

Электроды, соединенные проводником, образуют внешнюю электрическую цепь гальванического элемента. Растворы электролитов соединяются посредством электролитического мостика (полупроницаемой мембраной) и образуют внутреннюю цепь.

Металл с меньшим значением электродного потенциала является источником электронов, поступающих во внешнюю цепь гальванического элемента. Этот электрод заряжается отрицательно за счет избытка электронов. Металл с большим значением электродного потенциала принято считать положительным электродом.

Отрицательно заряженный электрод в гальваническом элементе называется анодом. На аноде протекает процесс окисления атомов металла.

Положительно заряженный электрод называется катодом. На катоде протекает процесс восстановления ионов из раствора электролита и выделение их на электроде.

Непременным условием работы гальванического элемента является разность потенциалов его электродов. Она называется электродвижущей силой гальванического элемента – ЭДС (Е).

Е = φ_к– φ_А, В.

ЭДС всякого работающего элемента – величина положительная (E>0, а DG_г.э<0).

Для вычисления ЭДС гальванического элемента в условиях, отличных от стандартных, используют уравнение Нернста, которое позволяет первоначально рассчитать значение электродных потенциалов катода и анода, применительно к данным условиям, а затем уже и ЭДС элемента.

или

где стандартный электродный потенциал металла, В; n – заряд иона металла; [Ox] и [Red] – концентрация окисленной и восстановленной формы ионов металла в растворе его соли, моль/л; R- универсальная газовая постоянная, R=8,31 Дж/моль^.К; Т - температура, Т=298 К; F- постоянная Фарадея, F=96500 Кл/моль.