Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Гальванические элементы




Электродные потенциалы

 

Если кусочек металла погрузить в водный раствор его соли, то металл относительно раствора приобретет некий потенциал (называемый электродным потенциалом). При этом в системе установится равновесие между гидратированными ионами металла Me+z в растворе и атомами металла в твердой фазе:

 

Me+z (aq) + ze- Me(тв)

 

В данной системе кусок металла является электродом (активным электродом, т.к. частицы, из которых он состоит могут обратимо переходить в раствор в виде ионов).

Величина электродного потенциала зависит от многих факторов. В специальных таблицах приведены значения стандартных электродных потенциалов (E°), измеренных при стандартных условиях (T = 298 K, p = 1,013.105 Па, концентрация ионов [Me+z] = 1 моль/л).

Если условия отличаются от стандартных, то электродный потенциал (E) электрода можно рассчитать по уравнению Нернста:

 

E = E° +

 

 

где: E° - стандартный электродный потенциал,

T - температура,

R - универсальная газовая постоянная,

F - постоянная Фарадея (96 485 Кл/моль),

z - количество электронов, принимающих участие в элементарном окислительно-восстановительном акте на электроде.

Величина электродного потенциала определяет термодинамическую возможность и направление протекания ОВР на данном электроде в электрохимической системе.

 

Гальванические элементы являются химическими источниками электрической энергии. При работе гальванических элементов энергия ОВР преобразуется в электроэнергию. Принцип действия гальванических элементов рассмотрим на примере элемента Даниэля-Якоби (см. рисунок), в котором протекает окислительно-восстановительная реакция:

 

Zn + Cu+2 = Zn+2 + Cu

 

 

 

Этот гальванический элемент состоит из цинкового электрода, погруженного в раствор ZnSO4 и медного электрода, погруженного в раствор CuSO4. Растворы соединены между собой электролитическим ключом (ЭК)- устройством, позволяющим ионам SO4-2 переходить из одного раствора в другой. Оба раствора и электролитический ключ являются внутренней цепью гальванического элемента. Внешняя цепь в данном случае состоит из металлических проводов, резистора (R) и гальванометра (Г). Если внутренняя и внешняя цепи гальванического элемента замкнуты, то гальванометр регистрирует наличие во внешней цепи электрического тока. При этом на электродах самопроизвольно протекают процессы:

 

анод (-) Zn (тв) - 2e- = Zn+2 (aq)

катод (+) Cu+2 (aq) + 2e- = Cu (тв).

 

Катод имеет положительный заряд, а анод - отрицательный. При работе гальванического элемента в раствор ZnSO4 переходят избыточные ионы Zn+2, а в растворе CuSO4 появляются избыточные анионы SO4-2. Через электролитический ключ ионы SO4-2 переходят из раствора CuSO4 в раствор ZnSO4. В гальваническом элементе Даниэля-Якоби цинковая пластина - активный электрод, а медная - инертный.

ЭДС гальванического элемента (DE) равна разности электродных потенциалов катода и анода: DE = Eк - Eа.

ЭДС элемента Даниэля-Якоби при стандартных условиях (T = 298 K, p = 1,013.105 Па, [Zn+2] = [Cu+2 ] = 1 моль/л) равна разности стандартных электродных потенциалов цинка и меди:

 

DE = E°(Zn+2/Zn) - E°(Cu+2 /Cu) = + 0,34 В - (- 0,76 В) = 1,1 В.

 

Аккумуляторы

 

Аккумуляторами называются называются гальванические элементы, предназначенные для многократного использования. При заряде аккумулятора реагенты регенерируют в результате пропускания через систему электрического тока от внешнего источника в направлении, обратном направлению тока при разряде.

Способность к регенерации обеспечивают подбором таких реагентов, которые в окисленной и восстановленной формах трудно растворимы в жидкости, находящейся между электродами. Поэтому продукты электрохимических реакций осаждаются на тех же электродах, на которых они образуются. В результате не происходит смешивания этих продуктов и нарушения целостности электродов.

Большое практическое значение имеет свинцовый аккумулятор, состоящий из нескольких одинаковых ячеек. Устройство ячейки свинцового аккумулятора изображено на рисунке:

 

Pb
PbO2
Pb
Водный р-р Н2SO4 (36%)

 


При работе свинцового аккумулятора (разряде) на электродах идут процессы:

анод (-) Pb + SO4-2 + 2e-= PbSO4

катод (+) PbO2 + 4H+ + SO4-2 + 2 e- = PbSO4+ 2H2O.

ЭДС этой системы при комнатной температуре около 2 В.

Для зарядки через аккумулятор пропускают постоянный электрический ток (на катод подается положительный потенциал, на анод - отрицательный). При этом на электродах протекают те же полуреакции, но в обратном направлении.

 

Электролиз

 

Электролизом называются окислительно-восстановительные реакции, протекающие при прохождении электрического тока через жидкость, содержащую ионы. Ионы могут появиться в жидкой среде при растворении электролита в полярном растворителе (электролитическая диссоциация) или при переходе ионогена в жидкое состояние (термическая ионизация).

Электролиз сводится к разрядке ионов на соответствующих электродах. При электролизе анод имеет положительный заряд, а катод - отрицательный (сравните с гальваническим элементом!).

 

Пример 1: электролиз расплава хлорида натрия. Жидкий NaCl состоит из ионов Na+ и Cl- Если в этот расплав погрузить два электрода и пропускать электроток от внешнего источника, то на электродах будет протекать ОВР разложения соли:

 

2Na+ + 2Cl- 2Na + Cl2

анод (+) 2Cl- - 2e- = Cl2

катод (-) 2Na+ + 2e- = 2Na

 

Данный пример является простейшим, так как в токопроводящей жидкости присутствуют катионы одного вида и анионы одного вида. Других частиц, способных к разрядке в данной среде нет.

Пример 2: электролиз водного раствора хлорида натрия. В этой системе кроме ионов Na+ и Cl- присутствуют ионы H+ и OH- (автоионизация воды):

 

H2O H+ + OH-

 

В данном растворе присутствуют 2 частицы, теоретически способных к восстановлению и 2 частицы, в принципе способных к окислению. В такой ситуации пользуются правилами:

1) на аноде более вероятен тот процесс, для которого электродный потенциал меньше;

2) на катоде более вероятен тот процесс, для которого электродный потенциал больше.

Среда в рассматриваемом растворе нейтральная ([H+] = [OH-] = 10-7 моль/л). Если концентрация NaCl растворе 1 моль/л, то электродные потенциалы (E) четырех возможных процессов (полуреакций) будут следующими:

возможные анодные процессы

2Cl-- 2e- = Cl2 E1 = E° = + 1,36 В

2H2O - 4e- = 4H+ + O2 E2» + 2 В (E2 больше стандартного значения для этой полуреакции E° = + 1,23 В засчет явления перенапряжения);

возможные катодные процессы

Na+ + e- = Na E3 = E° = - 2,71 В

2H+ + 2e- = H2 E4 = - 0,41 В (E4 меньше стандартного значения для этой

полуреакции E° = 0 В засчет того, что [H+] = 10-7 моль/л).

 

Сравнение величин электродных потенциалов приводит к выводу о том, что электролиз водного раствора хлорида натрия будет протекать по схеме:

 

анод (+) 2Cl-- 2e- = Cl2

катод (-) 2H+ + 2e- = H2

2 NaCl + 2H2O Cl2 ­ + H2 ­ + 2 KOH

На аноде будет выделяться газообразный хлор, на катоде - газообразный водород, в растворе будет накапливаться щелочь (гидроксид калия).

В примере №2 электродные потенциалы конкурирующих полуреакций (E1 и E2 , E3 и E4 ) существенно отличны (|E1-E2|=0,64В, |E3-E4|=2,29В). Если абсолютное значения модуля разности конкурирующих полуреакций не превышает 0,2-0,3В, то в этом случае обычно наблюдается параллельное протекание нескольких процессов на данном электроде. Кроме того, в ряде случаев следует учитывать изменение электродных потенциалов в ходе электролиза (по уравнению Нернста), так как реагенты, принимающие участие в процессах на электродных расходуются и их концентрация постепенно уменьшается.

 

Массу вещества (m), выделившегося на электроде в ходе электролиза можно рассчитать по закону Фарадея:

m =,

где I - сила тока (A),

t - время (с)

F - постоянная Фарадея (96485 Кл/моль)

M - молярная масса вещества (г/моль).

z - число электронов, принимающих участие в образовании одной молекулы (или одной формульной единицы) вещества.

Физико-химический смысл постоянной Фарадея: F равна заряду 1 моля электронов.

 

ТЕМА 7. Полимеры и олигомеры

 

Полимерными соединениями, или полимерами, называются вещества, молекулы которых образованы многократно повторяющимися группами (структурными звеньями), соединенными ковалентными связями. Например, полимером является полистирол:

 

 

Его молекулы состоят из структурных звеньев

 

 

 

Полимеры образуются путем соединения друг с другом малых молекул, имеющих низкий молекулярный вес и называемых мономерами. Полимерные соединения — это вещества с очень широким диапазоном молекулярных весов. Молекулы некоторых полимеров достигают весьма больших размеров; они по сравнению с неполимерными соединениями представляются как молекулы-гиганты.

 

Полимерные молекулы содержат структурные звенья либо одинакового химического состава и строения, либо различного. Если звенья макромолекул условно обозначить A, то структуру полимера с одинаковыми звеньями можно выразить:

 

 

 

Полимеры, построенные из одинаковых структурных звеньев, называют гомополимерами. Полимеры, полученные из нескольких мономеров, содержат неодинаковые структурные звенья и называются совместными полимерами, или сополимерами. Сополимер, построенный из двух звеньев А и B, можно условно обозначить:

 

 

 

Для сополимеров характерно отсутствие строгой повторяемости звеньев, в связи с чем строение их неупорядочено. Порядок чередования разных звеньев зависит от мольного соотношения мономеров в исходной смеси и их относительной реакционной способности.

 

ОБЩИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

 

Различают следующие типы реакций получения высокомолекулярных соединений: полимеризация, поликонденсация, ступенчатая полимеризация.




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-05; Просмотров: 735; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.045 сек.