16.1: Хімія та електроенергія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 19182

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Переконайтеся, що ви добре розумієте наступні основні ідеї. Особливо важливо, щоб ви знали точні значення всіх виділених термінів в контексті даної теми.

Принцип електронейтральності - сипуча речовина не може мати хімічно значущий дисбаланс позитивних і негативних іонів.
Розчинення металу у воді може протікати в вимірній мірі тільки в тому випадку, якщо передбачений якийсь засіб для зняття надлишкового негативного заряду, який залишився. Це може бути електронно-акцепторні іони в розчині, або шляхом витягування електронів з металу через зовнішній ланцюг.
Міжфазні потенціали - вони існують на всіх границях фаз. У разі контакту металу з розчином електроліту межфазная область складається з електричного подвійного шару.
Різниця потенціалів між металом і розчином майже повністю розташована через дуже тонкий подвійний шар, що призводить до надзвичайно великих потенційних градієнтів у цій області.

Зв'язок між хімією та електрикою є дуже старим, повертаючись до відкриття АЛЕССАНДРО ВОЛЬТИ, у 1793 році, що електроенергію можна виробляти, розмістивши два різнорідних метали на протилежних сторонам змоченого паперу.

Електронна нейтральність

Природа, здається, сильно перешкоджає будь-якому процесу, який би призвів до надлишку позитивного або негативного заряду в матерії. Припустимо, наприклад, що ми занурюємо шматочок цинкового металу в чисту воду. Невелика кількість атомів цинку йдуть в розчин як\(Zn^{2+}\) іони, залишаючи свої електрони позаду в металі:

\[Zn(s) \rightarrow Zn^{2+} + 2e^– \label{1.1.1}\]

Оскільки цей процес триває, електрони, які залишаються в цинку, викликають накопичення негативного заряду всередині металу, що ускладнює вихід додаткових позитивних іонів з металевої фази. Подібне накопичення позитивного заряду в рідкій фазі додає цього гальмування. Тому дуже скоро процес зупиняється, в результаті чого розчин, в якому концентрація\(Zn^{2+}\) ще занадто низька (близько 10 ^-10 М), щоб бути виявлені звичайними хімічними засобами.

Малюнок\(\PageIndex{1}\). Транспортування іонів цинку з металу в воду; накопичення негативного заряду в металі (і позитивного заряду в розчині) незабаром зупиняє процес.

Не було б накопичення цього протилежного заряду в двох фазах, якби надлишкові електрони могли бути видалені з металу або позитивні іони, споживані в міру протікання реакції електрода. Наприклад, ми могли б стікати електрони, що залишилися в цинку, через зовнішній ланцюг, який є частиною повної електрохімічної клітини; це ми опишемо пізніше. Ще один спосіб видалення цих самих електронів - привести хороший акцептор електронів (тобто окислювач) в контакт з електродом. Відповідним акцептором будуть іони водню; саме тому кислоти атакують багато металів. Для дуже активних металів, таких як натрій, вода сама по собі є досить хорошим акцептором електронів.

Ступінь дисбалансу заряду, яка допускається, створює відмінності в електричному потенціалі не більше декількох вольт, і відповідає дисбалансам в концентраціях протилежно заряджених частинок, які не є хімічно значущими. У цій забороні немає нічого таємничого, відомого як принцип електронейтральності; це простий наслідок термодинамічної роботи, необхідної для поділу протилежних зарядів або для наведення подібних зарядів в більш тісний контакт. Додаткова робота піднімає вільну енергетичну зміну процесу, роблячи його менш спонтанним.

Єдиний спосіб, яким ми можемо продовжити окислення металу, - це поєднати його з іншим процесом, який відновлює електронейтральність до двох фаз. Простим способом цього буде занурення цинку в розчин мідного купоросу замість чистої води. Метал цинку швидко покривається чорним покриттям з дрібно розділеної металевої міді. Реакція являє собою просту реакцію відновлення-окислення, що включає перенесення двох електронів від цинку до міді:

\[ Zn(s) \rightarrow Zn^{2+} + 2e^– \label{1.1.2} \]

\[ Cu^{2+} + 2e^– \rightarrow Cu(s) \label{1.1.3}\]

Розчинення цинку більше не гальмується накопиченням негативного заряду в металі, оскільки надлишкові електрони видаляються з цинку іонами міді, які контактують з ним. При цьому розчин залишається електрично нейтральним, так як на кожен введений в розчин\(Zn\) іон видаляється один\(Cu\) іон. Чиста реакція

\[Zn(s) + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu(s) \label{1.1.4}\]

швидко йде до завершення.

Потенційні відмінності на інтерфейсах

Область переходу між двома фазами складається з області дисбалансу заряду, відомої як електричний подвійний шар. Як випливає з назви, це складається з внутрішнього мономолекулярного шару адсорбованих молекул води і іонів, і зовнішньої дифузної області, яка компенсує будь-який локальний дисбаланс заряду, який поступово зливається в абсолютно випадкове розташування об'ємного розчину. У випадку металу, зануреного в чисту воду, електронна рідина всередині металу змушує полярні молекули води адсорбуватися на поверхні та орієнтуватися таким чином, щоб створити дві тонкі площини позитивного та негативного заряду. Якщо вода містить розчинені іони, деякі з більших (і більш поляризованих) аніонів будуть нещільно зв'язуватися (хемісорб) з металом, створюючи негативний внутрішній шар, який компенсується надлишком катіонів у зовнішньому шарі.

Електрохімія - це вивчення реакцій, в яких заряджені частинки (іони або електрони) перетинають межу між двома фазами речовини, як правило, металевою фазою (електродом) та провідним розчином, або електролітом. Процес такого роду завжди можна представити як хімічну реакцію і відомий загалом як електродний процес. Електродні процеси (також звані електродними реакціями) відбуваються всередині подвійного шару і виробляють незначний дисбаланс в електричних зарядах електрода і розчину. Значна частина важливості електрохімії полягає в тому, як ці відмінності потенціалів можуть бути пов'язані з термодинамікою та кінетикою електродних реакцій. Зокрема, маніпулювання міжфазною різницею потенціалів забезпечує важливий спосіб здійснення зовнішнього контролю над реакцією електрода.

Розбіжності міжфазних потенціалів, які розвиваються в системах електрод-рішення, обмежуються лише кількома вольтами максимум. Це може здатися не дуже багато, поки ви не вважаєте, що ця різниця потенціалів охоплює дуже невелику відстань. У випадку з електродом, зануреним в розчин, це відстань відповідає тонкому шару молекул води і іонів, які прикріплюються до поверхні електрода, зазвичай лише на кілька атомних діаметрів. Таким чином, дуже мала напруга може виробляти дуже великий градієнт потенціалу. Наприклад, різниця потенціалів в один вольт через типову межфазну межфазну межу 10 ^{- 8} см становить градієнт потенціалу 100 мільйонів вольт на сантиметр - дійсно дуже значне значення!

Міжфазні потенціали не обмежуються металевими електродами, зануреними в розчини; насправді вони можуть існувати між будь-якими двома фазами, що знаходяться в контакті, навіть за відсутності хімічних реакцій. У багатьох формах речовини вони є результатом адсорбції або впорядкованого вирівнювання молекул, викликаного неоднорідними силами в міжфазній області. Таким чином, колоїдні частинки у водних суспензіях вибірково адсорбують даний вид іонів, позитивний для одних колоїдів, і негативний для інших. Отриманий чистий електричний заряд запобігає зближенню частинок і коалесцируванню, що вони в іншому випадку схильні робити під впливом звичайних атракціонів ван дер Ваальса.

Розбіжності міжфазних потенціалів безпосередньо не спостерігаються. Звичайним способом вимірювання різниці потенціалів між двома точками є приведення двох висновків вольтметра в контакт з ними. Доторкнутися одного відведення лічильника до металевого електрода досить просто, але немає можливості підключити інший провід до сторони розчину міжфазної області, не вводячи другий електрод з власним міжфазним потенціалом, так що ви б вимірювали суму двох різниць потенціалів. Таким чином, одиночні електродні потенціали, як вони загальновідомі, безпосередньо не спостерігаються.

Те, що ми можемо спостерігати і багато використовувати, - це відмінності потенціалів між парами електродів в електрохімічних комірках. Це тема наступної сторінки цієї серії.

Резюме

Переконайтеся, що ви добре розумієте наступні основні ідеї, які були представлені вище. Особливо важливо, щоб ви знали точні значення всіх виділених термінів в контексті даної теми.

Принцип електронейтральності - сипуча речовина не може мати хімічно значущий дисбаланс позитивних і негативних іонів.
Розчинення металу у воді може протікати в вимірній мірі тільки в тому випадку, якщо передбачений якийсь засіб для зняття надлишкового негативного заряду, який залишився. Це може бути електронно-акцепторні іони в розчині, або шляхом витягування електронів з металу через зовнішній ланцюг.
Міжфазні потенціали - вони існують на всіх границях фаз. У разі контакту металу з розчином електроліту межфазная область складається з електричного подвійного шару.
Різниця потенціалів між металом і розчином майже повністю розташована через дуже тонкий подвійний шар, що призводить до надзвичайно великих потенційних градієнтів у цій області.