17.1: Прелюдія до електрохімії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 23730

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

Коли електричний струм протікає через речовину, часто відбуваються постійні хімічні зміни. У деяких випадках електрична енергія, що подається із зовнішнього джерела, може спричинити хімічну реакцію. Такий процес називається електролізом, а система, в яку подається електрика, називається електролітичної коміркою. Типовим прикладом електролізу є лабораторний препарат Н ₂ (г) і О ₂ (г) шляхом пропускання електричного струму крізь воду. Електроліз є досить важливим у хімічній промисловості, займаючись виробництвом алюмінію, хлору, міді та багатьох інших речовин.

альт

Також можливе вироблення потоку електрики в результаті спонтанної хімічної реакції. Хімічна система, яка може спричинити потік струму таким чином, називається гальванічним елементом або вольтаїчним елементом. Прикладом гальванічного елемента, з яким ви майже напевно знайомі, є акумуляторний ліхтар. Оскільки електричний струм - це потік електронів або інших заряджених частинок, не повинно дивуватися, що як електролітичні, так і гальванічні елементи включають окислювально-відновні реакції.

В електролітичній комірці електрична енергія, що подається від зовнішнього джерела, викликає неспонтанну реакцію. Гальванічний (або вольтаїчний) елемент, з іншого боку. використовує спонтанну реакцію для вироблення електричного струму. У будь-якому виді осередків електрод, при якому відбувається окислення, називається анодом, а електрод, при якому відбувається відновлення, - катодом.

Електролітичні клітини мають численні комерційні застосування. Хлор, гідроксид натрію, водень, алюміній, магній, натрій, кальцій та мідь високої чистоти є одними з найважливіших хімічних речовин, що утворюються електролізом. Гальванічне покриття металів, таких як хром, срібло, нікель, цинк та олово, також є досить важливим. У будь-якій реакції електролізу кількість споживаної або виробленої речовини може бути пов'язане з електричним зарядом, який проходить через комірку за допомогою постійної Фарадея F, яка дорівнює 9,649 × 10 ⁴ С моль ^—1.

Гальванічний елемент може бути представлений скороченим позначенням, таким як

\[ \text{Zn}│\text{Zn}^{2+} (1\; M)║ \text{Ag}^{2+}(1\; M)│\text{Ag} \label{1} \]

Коли комірка записується таким чином,\( \dfrac{1}{2} \) завжди передбачається, що лівий електрод є анодом і там відбувається напіврівняння окислення. Потім правий електрод повинен бути прийнятий за катод, і передбачається, що там відбувається зменшення напіврівняння. Реакція клітини - це сума цих двох піврівнянь. Якщо він спонтанний, наші припущення про аноді зліва і катоді праворуч були правильними. Електрони будуть вимушені у зовнішній ланцюг зліва, а ЕРС клітини приймається позитивною. Якщо реакція клітини, написана за вищевказаною конвенцією, виявиться неспонтанною, то її зворотний буде спонтанним. Наші припущення про те, який електрод є анодом, а який катод теж повинен бути зворотним, а ЕРС осередку дається негативний знак.

\(\ref{1}\)Рівняння - це дуже весело. Оскільки значення ЕРС клітини вказують на те, чи є процес спонтанним, вони є досить корисними. Вони є адитивними і умовно повідомляються як стандартні електродні потенціали. Вони відносяться до ЕРС комірки з газовоневим електродом зліва і електрода, потенціал якого повідомляється праворуч. Стандартний електродний потенціал безпосередньо пов'язаний зі стандартною зміною вільної енергії для реакції, що дозволяє безпосередньо визначити Δ G°.

Багато гальванічні елементи мають комерційне значення. До них відносяться сухі клітини, ртутні клітини, акумуляторні батареї Ni-Cd та свинцеві акумулятори. Паливні елементи, в які подається безперервна подача як окислювача, так і відновника, з часом можуть стати важливими через їх високу ефективність.