План:
1. Принцип работы гальванического элемента (ХИТ).
2. Электродные потенциалы ,рад напряжений металлов.
3. Концентрационные цепи.
Электрохимия – раздел химии, изучающий химизм появления электрического тока в результате окислительно-восстановительных реакций на электродах.
Электрохимию делят на два раздела:
а) учение о химизме превращения химической энергии в электрическую (в гальванических элементах)
б) учение о действии электрического тока на химические процессы (электролиз).
Рассмотрим химические источники тока.
Простейшая электрохимическая система состоит из двух электродов (проводник I рода) и ионного проводника (проводник II рода) между ними.
Электроды замыкаются металлическим проводником. Ионным проводником служат растворы или расплавы электролитов, а также твердые электролиты.
Электродаминазывают проводники, имеющие электронную проводимость (проводники I рода) и находящиеся в контакте с ионным проводником. Для обеспечения работы системы электроды соединяют друг с другом металлическим проводником, называемым внешней цепью электрохимической системы.
Устройства, в которых химическая энергия окислительно-восстановительных реакций превращается в электрическую энергию, называются гальваническими элементами. Их также называют химическими источниками электрической энергии (ХИЭЭ) или химическими источниками тока (ХИТ).
Причиной возникновения и протекания электрического тока в гальваническом элементе является разность электродных потенциалов, тесно связанных с особенностями кристаллической решетки структуры металла.
К химическим источникам тока относятся гальванические элементы, концентрационные цепи, аккумуляторы и топливные элементы. К достоинствам ХИТ относятся: высокий КПД, бесшумность, безвредность, возможность использования в космосе и под водой, в переносных установках, на транспорте и т.д.
Первичные гальванические элементы.
Гальваническими первичными элементами называют устройства для прямого преобразования химической энергии, заключенных в них реагентов, в электрическую. После расхода реагентов элемент не может больше работать. Таким образом, это ХИТ однократного использования, их нельзя перезаряжать.
ХИТ, в которых протекают практически обратимые реакции, называют аккумуляторами: их можно перезаряжать и использовать многократно.
В простейшем случае гальванический элемент представляет собой два металла, погруженных в растворы своих солей, образующих полуэлементы.
Рассмотрим в качестве примера медно-цинковый гальванический элемент (Якоби-Даниэля).
Учитывая величину электродного потенциала: анодом будет цинк (с меньшей величиной j), катодом – медь (с большим j).
Схематическая запись или электрохимическая схема, заменяющая рисунок гальванического элемента, в краткой форме имеет вид: ,
где одна черта означает границу между электродом и раствором, две черты – границу между поэлементами (растворами).
Исходя из схемы цепи гальванического элемента записывают окислительно-восстановительные процессы в полуэлементах: при замыкании внешней цепи электроны перемещаются от цинкового электрода (анода) к медному (катоду):
На аноде:
На катоде:
Рассчитаем гальванического элемента Якоби-Даниэля:
, где
А также можно рассчитатьпо формуле
Изменение потенциала электрода вследствие изменения концентрации реагентов в приэлектродном слое при прохождении тока называется концентрационной поляризацией. Если ионы образуются в ходе электродного процесса, то их концентрация в поверхностном слое электрода увеличивается, а если они расходуются, то уменьшается. Таким образом, произойдет сдвиг электродного потенциала катода в область меньших значений, а электродного потенциала анода – в область больших значений и, отсюда,сдвигается в сторону нуля и элемент прекращает свою работу.