рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Теоретичні відомості

Теоретичні відомості - раздел Химия, Фізична та колоїдна хімія Електрохімія Вивчає Закономірності Перетворення Енергії Хімічних Реакцій В Ел...

Електрохімія вивчає закономірності перетворення енергії хімічних реакцій в електричну при збереженні загального енергетичного балансу. Таке перетворення практично реалізується для електрохімічних систем в формі роботи гальванічних елементів, у яких проходять окисно-відновні реакції.

На межі поділу любих двох фаз тверда–тверда, (наприклад Zn/Сu, Cd/Ag), тверда–рідка, (наприклад Zn/розчин ZnSO4, Cu/розчин CuSO4), рідка–рідка (розчин ZnSO4, розчин CuSO4), кожна з яких окремо є електронейтральною, виникає стрибок електричного потенціалу.

Розглянемо систему, яку в електрохімії називають "метал в розчині своїх іонів" (прикладом є мідна пластинка занурена в розчин сульфату міді). Через деякий час на межі Cu/розчин CuSO4 встановлюється рівновага, обумовлена рівністю хімічних потенціалів речовини в обох фазах і їй відповідає рівноважний стрибок потенціалу.

В розглянутому випадку іони міді в металі містяться у вузлах металевої ґратки, а в водному розчині вони гідратовані. Щоб вилучити іони міді з розчину, необхідно подолати енергію гідратації Uг, тобто енергію зв’язку його з молекулами води, а для видалення іону з металевої ґратки, необхідно подолати енергію Uв , що дорівнює роботі виходу іона з металу. При зануренні металевої пластинки в розчин своїх іонів напрям переходу іонів визначається співвідношенням Uг і Uв, тобто, якщо Uв³Uг (як для міді) – іони металу будуть переходити із розчину на межу поділу метал–розчин. Оскільки іони міді несуть позитивні заряди, пластинка набуде позитивного заряду, а розчин – негативного. Відповідні заряди в обох середовищах (позитивні в металі і негативні в розчині) розташовуються поблизу поверхні, утворюючи на поверхні метал – розчин подвійний електричний шар (ПЕШ). При співвідношенні Uв£Uг, метал зарядиться негативно, а розчин – позитивно (рис. 5.1). В цьому випадку подвійний електричний шар утворюється надлишковими електронами на металі та іонами металу в розчині.

Рис. 5.1. Схема утворення подвійного електричного шару (ПЕШ)   Різниця потенціалів j, що виникає між металом і розчином, називається міжфазовим потенціалом. Прямих методів вимірювання абсолютних значень міжфазових потенціалів поки що немає, можна виміряти лише різницю потенціалів між точками, що знаходяться в межах однієї фази. Гальванічний елемент – це пристрій для перетворення хімічної енергії будь-якої окиснювально-відновної реакції в електричну енергію.  

Розглянемо гальванічний елемент Якобі - Даніеля, схема якого наведена на рис. 5.2.

 

Рис. 5.2. Схема гальванічного елемента Даніеля-Якобі: 1 – цинковий напівелемент; 2 – цинковий електрод; 3 – розчин ZnSO4; 4, 5 – скляні трубки з зовнішніми проводами; 6 – розчин CuSO4; 7 – мідний напівелемент; 8 – мідний електрод; 9 – склянка з насиченим розчином KCl (соляний місток) Контакт між електродами здійснюється за допомогою з'єднуючого провідника (будь-якого провідника першого роду), а контакт між електролітами – за допомогою пористої перетинки, що перешкоджає механічному змішуванню розчинів і не перешкоджає переносу струму іонами, або за допомогою проміжного агар-агарового містка, виготовленого на розчині хлористого калію. Цей кордон розділяє гальванічний елемент на два напівелементи.

 

На одному з них (катоді) йде відновлювальний процес, який супроводжується асиміляцією електронів, наприклад Сu2++2е=Сu, на другому (аноді) – окислювальний, наприклад Zn–2e=Zn2+, що є джерелом електронів.

Часто гальванічні елементи записують схематично, при цьому показують послідовність контактів реагуючих речовин, які перебувають в різних фазах, розділяючи їх вертикальними лініями. Наприклад, запис елемента Даніеля-Якобі

(–)Cu/Zn/ZnSO4//CuSO4/Cu(+)

Спостерігаємо три міжфазових стрибки електричного потенціалу:

, ,

які свідчать, що елемент Якобі-Даніеля є нерівноважною електрохімічною системою, в якій виникає різниця потенціалів Е, що дорівнює сумі міжфазових стрибків потенціалів:

(5.1)

де Е – електрорушійна сила (ЕРС) гальванічного елемента.

Оскільки чисельні значення міжфазових потенціалів не піддаються експериментальному визначенню, в електрохімічній практиці для розрахунків ЕРС гальванічних елементів широко використовують рівняння, що зв’язує ЕРС з електродними потенціалами e.

Тоді ЕРС дорівнює максимальній різниці електродних потенціалів:

(5.2)

За визначенням електродний потенціал будь-якого напівелемента – це ЕРС ланцюга, який складено з напівелемента, що досліджується і напівелемента порівняння, електродний потенціал якого постійний. Таким електродом порівняння в електрохімії може бути нормальний водневий електрод (НВЕ), потенціал якого прийнятий рівним нулю.

В гальванічному елементі Якобі-Даніеля відбувається окиснення цинку і перехід в розчин його іонів:

Ζn – 2е « Ζn2+

і відновлення іонів міді та осадження їх на електроді:

Сu2++2е« Сu

Цинковий електрод в даному елементі буде мати від’ємний заряд, а мідний – додатній. Електрони переходять по замкнутому металевому провіднику від цинкового електроду до мідного.

Сумарна реакція в елементі становить:

Ζn+ Сu2+« Ζn2++ Сu

Якщо процес, в гальванічному елементі провести в зворотних умовах (електроліз), за Р=const і T=const, то в елементі виконується максимальна корисна робота, що дорівнює зменшенню ізобарного потенціалу системи:

Аmax= –DGT = z·F·E (5.3)

де z – число електронів, що беруть участь в реакції; F – стала Фарадея, 96493Кл / моль; E – ЕРС гальванічного елемента.

Для цієї реакції запишемо рівняння ізотерми:

(5.4)

де активності нейтральних атомів цинку та міді дорівнюють: aZnCu=1.

Виходячи із рівняння (5.3)

(5.5)

звідки,

(5.6)

Якщо активності всіх речовин реакції дорівнюють одиниці, то ЕРС (Е) приймає значення стандартної ЕРС (Ео)

(5.7)

де Ео– стандартна ЕРС.

Таким чином, рівняння (5.6) можна записати в загальному вигляді:

(5.8)

По аналогії для електродного потенціалу одержимо:

(5.9)

де – нормальний електродний потенціал, що дорівнює потенціалу рівноважного оберненого електрода, зануреного в розчин, в якому активність потенціалвизначальних іонів а, дорівнює одиниці. Співвідношення (5.8) і (5.9) мають назву рівняння Нернста–Тюріна.

Стандартну ЕРС можна визначити як різницю електродних потенціалів:

(5.10)

Нормальні електродні потенціали різних металів виміряні відносно нормального водневого електрода і зведені в таблицю. Якщо розмістити метали в порядку зростання їх нормальних (стандартних) електродних потенціалів, отримаємо так званий ряд напруги.

Всі метали, розміщені в ряду напруг до водню, мають негативний нормальний електродний потенціал, тобто на таких електродах при роботі відповідного гальванічного елемента відбувається процес окиснення металу. Позитивний нормальний електродний потенціал, який мають метали, що стоять за воднем, означає, що відносно нормального водневого електроду даний електрод заряджується позитивно, тобто при роботі елемента відбувається процес відновлення металу.

Електроди першого роду –це металеві або газові електроди, занурені в розчин своїх іонів і обернені відносно цих іонів (аніонів і катіонів), від активності яких залежить потенціал електроду. Прикладом електродів першого роду можуть бути мідний Cu/Сu2+ , цинковий Zn/Zn2+, водневий Pt(H2)H+, хлорний Pt(Cl2)Cl тощо.

  Рис. 5.3. Нормальний водневий електрод: 1 – посудина; 2 – платиновий електрод; 3 – скляна трубка; 4, 8 – крани; 5 – трубка введення водню; 6 – гідрозатвор; 7 – сифон Нормальний водневий електрод (рис. 5.3) складається із платини, покритої платиновою чернотою і частково зануреної в розчин, в якому активність іонів водню дорівнює одиниці, а тиск водню в газовій фазі – 101325 Па. Потенціал такого електрода при t=25 °С умовно прийнято за нуль. Електродна реакція, що проходить на платині: 1/2Н2«Н++е Потенціал водневого електрода в загальному випадку визначається рівнянням: (5.11) де – нормальний потенціал, прийнятий рівним нулю; –рівноважний тиск водню над платиною.

 

Оскільки вимірювання з водневим електродом проводять приблизно при тиску 1 атм

(5.12)

Незручності при користуванні водневим електродом обумовлені необхідністю мати очищений водень, який безперервно пропускають через розчин. Потенціал водневого електрода нестійкий і встановлюється повільно, тому на практиці у якості електрода порівняння використовують, як правило, електроди другого роду.

Електроди другого роду –це метали, вкриті шаром малорозчинної солі металу і занурені в розчин добре розчинної солі, яка має спільний аніон з малорозчинною сіллю. Ці електроди можна розглядати як зворотні відносно аніону, тому їх потенціал можна розрахувати через активність аніонів. Прикладом електродів другого роду є каломельний, хлоросрібний тощо.

 

Рис. 5.4. Каломельний електрод: 1 – ртуть: 2 – платиновий дріт; 3 – каломель; 4 – сифон; 5 – розчин KCl Каломельний електрод (рис. 5.4) складається з ртуті, пасти, виготовленої з каломелі, платинового дроту, мідного дроту-виводу, пробки і сифону. Електрод заливають розчином КСl, залежно від концентрації якого розрізняють 0,1 н, нормальний (1,0 н КСl) і насичений каломельні електроди. В каломельному електроді проходить реакція Hg – e « Hg+. Електродний потенціал дорівнює: (5.13)

 

Окисно-відновні електроди (Red-Oxy)це електроди, матеріал яких не бере участі в електродній реакції, а тільки в передачі електронів від окисника до відновника, що перебувають в одному розчині. Прикладом такого електрода може бути платина, занурена в розчин, що містить Fe2+ і Fe3+ або Sn2+ і Sn4+. Відмінність окисно-відновних електродів від інших полягає в тому, що продукти окиснення або відновлення залишаються в розчині, а не виділяються на електродах.

Електродний потенціал такого електрода, наприклад Pt/Sn4+/Sn2+

(5.14)

Серед Red-Oxy-електродів широко застосовується хінгідронний електрод, що використовується для визначення концентрації водневих іонів в розчині. Це платиновий електрод, занурений в розчин хінгідрону (С6Н4)2O2(OН)2, що розпадається у водному розчині на еквівалентні кількості хінону С6Н4O2 і гідрохінону С6Н4(OН)2. Останній є двохосновною кислотою, дисоціює з утворенням аніона С6Н4O2, який при окисненні переходить в хінон. Сумарно реакцію можна виразити рівнянням:

С6Н4(OН)2 « С6Н4O2+2Н++2е

Потенціал хінгідронного електрода:

(5.15)

тобто потенціал хінгідронного електрода визначається концентрацією іонів водню або рН розчину ().

Вимірювання електродних потенціалів окремих електродів (напівелементів) проводиться лише у формі гальванічних елементів, складених із напівелемента, електродний потенціал якого підлягає визначенню і стандартного електрода порівняння каломельного, електродний потенціал якого відносно нормального водневого електрода відомий. eокал=+0,2483 В.

Наприклад, для визначення потенціалів мідного і цинкового електродів в елементі Якобі-Даніеля за допомогою каломельного електрода порівняння складають два ланцюги:

(–) Hg/Hg2Cl2/KClнас//CuSO4/Cu(+)

(–) Zn/ZnSO4//KClнас/Hg2Cl2/Hg(+)

і визначають їх ЕРС.

У першому колі каломельний електрод грає роль негативного електрода, в другому – позитивного. Знаки електродів визначають, користуючись таблицею стандартних електродних потенціалів і порівнюють їх з потенціалом електрода порівняння. У вказаних елементах проходять такі електрохімічні реакції:

2Cl+2Hg–2е→ Hg2Cl2 ; Cu2++2е→ Cu

Zn–2е→Zn2+ ; Hg2Cl2+2е→2Hg+2Cl

Значення потенціалів визначають на підставі таких міркувань, знаючи ЕРС гальванічного елемента:

ЕCu-кал=eСu – eкал, (5.16)

потенціал катоду дорівнює:

eСuCu-кал + eкал (5.17)

Маючи виміряну ЕРС гальванічного елемента:

ЕZn-кал=eкал – eZn, (5.18)

потенціал аноду дорівнює:

eZn=eкал – ЕZn-кал. (5.19)

Отримані значення електродних потенціалів порівнюють з розрахованими за рівнянням Нернста-Тюріна.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Фізична та колоїдна хімія

Національний Університет харчових технологій.. Фізична та колоїдна хімія..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Теоретичні відомості

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Теоретичні відомості
Термохімія є розділом термодинаміки, що вивчає теплові ефекти хімічних реакцій, фазових перетворень, процесів розчинення, адсорбції, змочування, набухання та ін. Теоретична основа термохім

Порядок виконання роботи
1. В склянку заливають 200 г води. 2. Розраховують кількість KNO3, що припадає на 200 г води, для одержання розчину концентрацією 0,2 - 0,3 Μ. 3. Для визначення ма

Порядок виконання роботи
1. Після визначення теплового ефекту розчинення солі KNO3 (сталої калориметра) калориметр звільняють від розчину, корки висушують, пробірки витирають тампоном з фільтрувального паперу.

Теоретичні відомості
Для аналізу поведінки систем, які складаються з декількох фаз застосовують фізико-хімічний метод, який ґрунтується на дослідженні зв’язків між складом системи (або іншими параметра

Порядок виконання роботи
1. Одержують у лаборанта штатив з набором запаяних пробірок, склад суміші яких наведений у таблиці, що додається до штативу. 2. Заповнюють водяну баню на 3/4 водопровідною водою.

Опрацювання результатів
  За допомогою правила важеля з діаграми можна визначити не лише число рівноважних фаз та їх склад, але й кількісні співвідношення між масами фаз: маси рівноважних фаз обернено пропор

Теоретичні відомості
Визначення молярної маси базується на властивості розчинів замерзати за температури, нижчої за температуру замерзання чистого розчинника. Залежність температури замерзання розчину від його концентр

Кріоскопічні сталі деяких розчинників
Розчинник Кк Розчинник Кк Вода Нітробензол Бензол 1,86 5,90 5,10

Визначення температури замерзання чистого розчинника
Найчастіше охолодження рідини до температури замерзання не спричинює утворення твердої фази (льоду). Рідина, що має температуру нижчу за температуру її замерзання, називається переохолодженою. Інод

Визначення температури замерзання розчину
При охолодженні розчину температура його знижується, він може охолодитись нижче температури замерзання – стати переохолодженим (рис. 3.3).

Порядок виконання роботи
1. В суху широкогорлу пробірку наливають таку кількість розчинника, щоб його рівень був вищий ртутної кульки термометра на 8–10 мм. Поміщений в пробірку з рідиною термометр Бекмана з мішалкою треба

Опрацювання результатів
1. Обчислюють зниження температури замерзання розчину за рівнянням 3.8. 2. При визначенні істинної молярної маси електролітів кріометричним методом, необхідно використовувати органічні роз

Питання для самоперевірки
1. Сформулюйте закон Рауля. Для яких розчинів справджується закон Рауля? 2. Властивості якого компоненту розчину (розчиненої речовини чи розчинника) визначають кріоскопічну сталу?

Теоретичні відомості
За електричною провідністю розрізняють провідники першого і другого роду. До перших належать всі метали та їх сплави, а до других – розчини і розплави електролітів. В розчинах електролітів електрич

Електрична провідність розчинів слабких електролітів
В розчинах слабких електролітів при значних розведеннях іони рухаються незалежно один від одного і їх електрична провідність при нескінченному розведенні підпорядковується правилу адитивності, тому

Електрична провідність розчинів сильних електролітів
Сильні електроліти внаслідок повної дисоціації не підлягають закону діючих мас. Еквівалентна електрична провідність сильних електролітів відрізняється від такої слабких електролітів не тільки значе

Методика виміру електричної провідності
Схему приладу для визначення опору провідника наведено на рис.4.3. Вона принципово не відрізняється від схеми моста для вимірювання опору провідників першого роду. Перша відмінність схеми полягає в

Порядок виконання роботи
1. Визначення сталої посудини проводять за допомогою 0,02 н розчину КСl, питомий опір якого відомий. В посудину, попередньо промиту цим же розчином наливають його стільки, щоб рівень рідини на 3–5

Опрацювання результатів
  1. Розраховують питому електропровідність розчинів слабких електролітів (4.14) 2. За формулами (4.4), (4.

Опрацювання результатів
  1. За формулами (4.14) та (4.4) обчислюють питому та еквівалентну електропровідність. 2. Одержані дані заносять до табл. 3. Таблиця 3

Оцінка похибки вимірювань
1. В загальну похибку входить відносна похибка вимірів електропровідності, яка дорівнює: , (4.15) де DR – абсолютн

Питання для самоперевірки
2. Охарактеризуйте типи провідників. 3. Чим відрізняються сильні електроліти від слабких? 4. Що називають питомою електричною провідністю розчину? Як змінюється її значення з конц

Порядок виконання роботи
1. Складають гальванічний ланцюг, використовуючи два напівелементи з електродів першого роду, на прикладі елементу Даніеля-Якобі, підключають його до мультиметра і вимірюють ЕРС. 2. Запису

Теоретичні відомості
Хімічна кінетика вивчає швидкість проходження хімічних реакцій та залежність її від різноманітних чинників – концентрації реагуючих речовин, температури, впливу каталізаторів тощо.

Порядок виконання роботи
1. Приготувати у склянці об’ємом 50 мл 20 г розчину сахарози заданої концентрації. 2. До 20 мл розчину сахарози додати 20 мл 2 н розчину соляної кислоти. Попередньо ополіскуючи поляриметри

Порядок виконання роботи
1. У склянку налити 400 мл дистильованої води і поставити на столик магнітної мішалки. 2. Відрегулювати швидкість перемішування води у склянці (глибина повітряної воронки повинна не переве

Опрацювання результатів
Константу швидкості даної реакції розраховують за формулою: , (6.18)

Питання для самоперевірки
1. Дайте визначення швидкості хімічної реакції? 2. Сформулюйте закон дії мас. 3. Що таке кінетичне рівняння реакції в загальному вигляді? 4. У чому полягає фізичний зміст

Теоретичні відомості
  Поверхневий натяг (s) – це робота, яку необхідно витратити для утворення 1м2 нової поверхні розділу фаз, або еквівалентна їй вільна енергія, що припадає на 1м

Характеристики ПАР
Речовина Молекулярна маса М, а.од.м. Густина d1·10-6, г/м3 Вихідна концентра

Поверхневий натяг розчинів оцтової кислоти
№ п/п Концентрація ПАР С, моль/л Кількість краплин рідини n, шт. Поверхневий натяг σ·103, Дж/м2

Теоретичні відомості
Адсорбція – це процес накопичення молекул розчиненої речовини або газу на поверхні поділу фаз. Він супроводжується енергетичною зміною системи – виділенням або поглинанн

Порядок виконання роботи
1. Для виконання роботи готується розчин будь-якої органічної кислоти п¢яти різних концентрацій послідовним розведенням вдвічі. Початкові концентрації для кислот: оцтової – 0,2 – 0,4 Н, маслян

Результати розрахунку адсорбції на межі поділу тверде тіло – рідина
Номери колб Концентрація розчину, моль/л Адсорбція Г, моль/г Відношення Со/Г, г/л  

Теоретичні відомості
  Колоїдними розчинами, або ліозолями, називають дисперсні системи, що складаються з дисперсної фази з частинками розміром 10-7 – 10-9м і рідкого дисперсі

Будова колоїдної частинки
Колоїдні розчини або ліозолі складаються з міцел (твердої дисперсної фази, навколо якої існує ПЕШ) та безперервного дисперсійного середовища, у якому містяться міцели, що рухаються внаслідок

Одержання гідрозолю гідроксиду заліза гідролізом хлорного заліза за Крекке
В конічній пробірці нагрійте до кипіння 85 мл дистильованої води. Відміряйте піпеткою 15 мл 2%-го розчину хлорид заліза і невеликими порціями вилийте в кип’ячу воду. Кип’ятіння продовжуйте ще 2-3 х

Теоретичні відомості
  На властивості колоїдних розчинів суттєво впливають потенціали, які класифікуються на міжфазний φ-потенціал та електрокінетичний ζ–потенціал. Міжфазний φ-потенціал зм

Порядок виконання роботи
  1. Заповнити прилад Бертона (див. рис. 10.1): a) в U-подібну трубку залити бокову рідину приблизно на половину об’єму приладу; b) відкривши кран, при

Опрацювання результатів
  Електрокінетичний, або ζ-потенціал розраховують за рівнянням (10.1), використовуючи рівняння (10.2) і (10.3) для визначення електрофоретичної рухливості. У загальну по

Теоретичні відомості
  Під стійкістю дисперсних систем розуміють сталість у часі її стану та основних властивостей: дисперсності, рівномірного розподілення частинок дисперсної фази у об’ємі дисперсійного

Результати дослідження коагуляції золю гідроксиду заліза
Електроліт Концент-рація С, моль/л Серія розведення перша друга KCl   K

Оцінка похибки вимірювань
Загальна похибка проведення експерименту   . При розведенні електролітів використовують градуйовану піпетку

Теоретичні відомості
  Високомолекулярні сполуки (ВМС) отримали свою назву завдяки великій величині їхньої молекулярної маси, яка відрізняє їх від низькомолекулярних сполук (НМС). До високомолекуля

Ваговим методом
  Загальний час від початку набухання t, хв. Маса платівки до часу t, mt, мг Ступінь набухання

В розчинах з різним значенням рН ваговим методом
Загальний час від початку набухання t, хв. Маса платівки до часу t, mt, мг Ступінь набухання

Залежність граничного набухання желатину від рН розчину
  №     Дані Концентрація соляної кислоти (нормальність) Буферні суміші 10-1

Залежність граничного ступеня набухання желатину від рН розчину
  №     Дані Концентрація соляної кислоти (нормальність) Буферні суміші 10-1

Теоретичні відомості
  Зв`язаною вважається вода, розташована на межі поділу фаз і приєднана до макромолекул ВМС за механізмом водневого зв’язку. Гідрофільними називають ВМС, що утворюють водневий

Оцінка похибки вимірювань
Загальна похибка визначення гідрофільності складатиметься з похибок: вимірювання концентрації розчину цукрози рефрактометром ± 0,2 %×2 = 0,4 %; вагових вимірів техн

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги