17: Електрохімія
- Page ID
- 22448
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
Електрохімія займається хімічними реакціями, які виробляють електрику, і змінами, пов'язаними з проходженням електричного струму через речовину. Реакції включають перенесення електронів, і тому вони є окислювально-відновними (або окисно-відновними) реакціями. Багато металів можуть бути очищені або гальванічні за допомогою електрохімічних методів. Такі пристрої, як автомобілі, смартфони, електронні планшети, годинник, кардіостимулятори і багато інших використовують акумулятори для живлення. Батареї використовують хімічні реакції, які виробляють електрику спонтанно і які можуть бути перетворені на корисну роботу. Всі електрохімічні системи передбачають перенесення електронів у реагуючу систему. У багатьох системах реакції відбуваються в області, відомій як клітина, де передача електронів відбувається на електродах.
- 17.1: Балансування окислювально-відновних реакцій
- Електричний струм складається з рухомого заряду. Заряд може бути у вигляді електронів або іонів. Струм протікає через безперервний або замкнутий круговий шлях, який називається ланцюгом. Струм протікає через провідне середовище в результаті різниці електричного потенціалу між двома точками ланцюга. Електричний потенціал має одиниці енергії на заряд. В одиницях СІ заряд вимірюється в кулоні (С), струм в амперах, а електричний потенціал - в вольтах.
- 17.2: Гальванічні елементи
- Електрохімічні клітини зазвичай складаються з двох напівклітин. Напівклітини відокремлюють напівреакцію окислення від відновної напівреакції і дають можливість струму протікати через зовнішній провід. Одна половина осередку містить анод. Окислення відбувається на аноді. Анод підключений до катода в іншій половині осередку. Зменшення відбувається на катоді. Додавання соляного моста завершує ланцюг, що дозволяє протікати струм.
- 17.3: Стандартні потенціали скорочення
- Призначення потенціалу стандартного водневого електрода (SHE) як нульових вольт дозволяє визначити стандартні потенціали відновлення, Е°, для напівреакцій в електрохімічних комірках. Як випливає з назви, стандартні потенціали відновлення використовують стандартні стани (1 бар або 1 атм для газів; 1 М для розчинених речовин, часто при 298,15 К) і записуються як скорочення (де електрони з'являються в лівій частині рівняння).
- 17.4: Рівняння Нернста
- Електромонтажні роботи - це негатив добутку загального заряду (Q) і потенціалу осередку (Ecell). Загальний заряд можна обчислити як кількість молів електронів (n) на постійну Фарадея (F = 96 485 C/моль e−). Електромонтажні роботи - це максимальна робота, яку може виробляти система і так дорівнює зміні вільної енергії. Таким чином, все, що можна зробити з або до вільної зміни енергії, також може бути зроблено з потенціалом клітини або з ним.
- 17.5: Акумулятори та паливні елементи
- Батареї являють собою гальванічні елементи, або ряд елементів, які виробляють електричний струм. Коли осередки об'єднані в батареї, потенціал батареї є цілим числом кратним потенціалу однієї комірки. Існує два основних типи акумуляторів: первинні і вторинні. Первинні батареї є «одноразовими» і не підлягають зарядці. Сухі елементи і (більшість) лужних батарей є прикладами первинних батарей. Другий тип є акумуляторним і називається вторинним акумулятором.
- 17.6: Корозія
- Корозія - це деградація металу, викликана електрохімічним процесом. Щорічно витрачаються великі суми грошей на ремонт наслідків або запобігання корозії. Деякі метали, такі як алюміній і мідь, утворюють захисний шар при корозії на повітрі. Тонкий шар, який утворюється на поверхні металу, перешкоджає контакту кисню з більшою кількістю атомів металу і тим самим «захищає» залишився метал від подальшої корозії. Залізо роз'їдає (утворює іржу) при впливі води
- 17.7: Електроліз
- Використання електрики для примусового неспонтанного процесу - це електроліз. Електролітичні клітини - це електрохімічні клітини з негативними потенціалами клітин (мається на увазі позитивна вільна енергія Гіббса), і тому є неспонтанними. Електроліз може відбуватися в електролітичних комірках шляхом введення джерела живлення, який постачає енергію, щоб змусити електрони текти в неспонтанному напрямку. Електроліз проводиться в розчині, в яких міститься достатня кількість іонів, щоб струм міг протікати.
- 17.E: Електрохімія (вправи)
- Це домашні вправи для супроводу TextMap, створеного для «Хімії» OpenStax. Додаткові загальні банки питань хімії можна знайти для інших Textmaps і можуть бути доступні тут. На додаток до цих загальнодоступних питань, доступ до приватного банку проблем для використання в іспитах та домашніх завданнях доступний викладачам лише в індивідуальному порядку; будь ласка, зв'яжіться з Delmar Larsen для облікового запису з дозволом на доступ.