Ηλεκτροχημικά συστήματα

Γενικά χαρακτηριστικά

Ηλεκτροχημεία - κλάδος της χημείας που μελετά τις διαδικασίες εμφάνισης διαφορών δυναμικού και τη μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια (γαλβανικά κύτταρα), καθώς και την πραγματοποίηση χημικών αντιδράσεων λόγω της δαπάνης ηλεκτρικής ενέργειας (ηλεκτρόλυση). Αυτές οι δύο διαδικασίες, που έχουν κοινή φύση, χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύγχρονη τεχνολογία.

Οι γαλβανικές κυψέλες χρησιμοποιούνται ως αυτόνομες και μικρού μεγέθους πηγές ενέργειας για μηχανές, συσκευές ραδιομηχανικής και συσκευές ελέγχου. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρόλυση, λαμβάνονται διάφορες ουσίες, επεξεργάζονται επιφάνειες και δημιουργούνται προϊόντα του επιθυμητού σχήματος.

Οι ηλεκτροχημικές διεργασίες δεν ωφελούν πάντα τον άνθρωπο και μερικές φορές προκαλούν μεγάλη βλάβη, προκαλώντας αυξημένη διάβρωση και καταστροφή μεταλλικών κατασκευών. Για να χρησιμοποιηθούν επιδέξια οι ηλεκτροχημικές διεργασίες και να καταπολεμηθούν ανεπιθύμητα φαινόμενα, πρέπει να μελετηθούν και να μπορούν να ρυθμιστούν.

Η αιτία των ηλεκτροχημικών φαινομένων είναι η μεταφορά ηλεκτρονίων ή μια αλλαγή στην κατάσταση οξείδωσης των ατόμων ουσιών που συμμετέχουν σε ηλεκτροχημικές διεργασίες, δηλαδή αντιδράσεις οξειδοαναγωγής που συμβαίνουν σε ετερογενή συστήματα. Στις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται απευθείας από τον αναγωγικό παράγοντα στον οξειδωτικό παράγοντα. Εάν οι διαδικασίες οξείδωσης και αναγωγής διαχωρίζονται χωρικά και τα ηλεκτρόνια κατευθύνονται κατά μήκος ενός μεταλλικού αγωγού, τότε ένα τέτοιο σύστημα θα αντιπροσωπεύει ένα γαλβανικό στοιχείο. Ο λόγος για την εμφάνιση και τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα γαλβανικό στοιχείο είναι η διαφορά δυναμικού.

Δυναμικό ηλεκτροδίου. Μέτρηση δυναμικών ηλεκτροδίων

Εάν πάρετε μια πλάκα από οποιοδήποτε μέταλλο και τη χαμηλώσετε σε νερό, τότε τα ιόντα της επιφανειακής στιβάδας, υπό την επίδραση πολικών μορίων νερού, αποκολλώνται και ενυδατώνονται στο υγρό. Ως αποτέλεσμα αυτής της μετάβασης, το υγρό φορτίζεται θετικά και το μέταλλο αρνητικά, αφού επάνω του εμφανίζεται περίσσεια ηλεκτρονίων. Η συσσώρευση μεταλλικών ιόντων στο υγρό αρχίζει να αναστέλλει τη διάλυση του μετάλλου. Δημιουργείται μια κινητή ισορροπία

Me 0 + mH 2 O = Me n + × m H 2 O + ne -

Η κατάσταση ισορροπίας εξαρτάται τόσο από τη δραστηριότητα του μετάλλου όσο και από τη συγκέντρωση των ιόντων του στο διάλυμα. Στην περίπτωση των ενεργών μετάλλων στη σειρά τάσης μέχρι το υδρογόνο, η αλληλεπίδραση με πολικά μόρια νερού τελειώνει με το διαχωρισμό θετικών ιόντων μετάλλων από την επιφάνεια και τη μετάβαση των ενυδατωμένων ιόντων σε διάλυμα (Εικ. β). Το μέταλλο φορτίζεται αρνητικά. Η διαδικασία είναι οξείδωση. Καθώς η συγκέντρωση των ιόντων κοντά στην επιφάνεια αυξάνεται, η αντίστροφη διαδικασία καθίσταται δυνατή - η μείωση των ιόντων. Η ηλεκτροστατική έλξη μεταξύ κατιόντων σε διάλυμα και περίσσειας ηλεκτρονίων στην επιφάνεια σχηματίζει ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα. Αυτό οδηγεί στην εμφάνιση μιας ορισμένης διαφοράς δυναμικού, ή άλματος δυναμικού, στη διεπαφή μεταξύ του μετάλλου και του υγρού. Η διαφορά δυναμικού που προκύπτει μεταξύ ενός μετάλλου και του περιβάλλοντος υδατικού περιβάλλοντος ονομάζεται δυναμικό ηλεκτροδίου. Όταν ένα μέταλλο βυθίζεται σε διάλυμα άλατος αυτού του μετάλλου, η ισορροπία μετατοπίζεται. Η αύξηση της συγκέντρωσης των ιόντων ενός δεδομένου μετάλλου σε διάλυμα διευκολύνει τη διαδικασία μετάβασης των ιόντων από διάλυμα σε μέταλλο. Τα μέταλλα των οποίων τα ιόντα έχουν σημαντική ικανότητα να περνούν σε διάλυμα θα είναι θετικά φορτισμένα σε ένα τέτοιο διάλυμα, αλλά σε μικρότερο βαθμό από ό,τι στο καθαρό νερό.

Για τα ανενεργά μέταλλα, η συγκέντρωση ισορροπίας των μεταλλικών ιόντων στο διάλυμα είναι πολύ μικρή. Εάν ένα τέτοιο μέταλλο βυθιστεί σε διάλυμα άλατος αυτού του μετάλλου, τότε τα θετικά φορτισμένα ιόντα απελευθερώνονται στο μέταλλο με μεγαλύτερη ταχύτηταπώς τα ιόντα μετακινούνται από το μέταλλο στο διάλυμα. Η μεταλλική επιφάνεια θα λάβει θετικό φορτίο και το διάλυμα θα λάβει αρνητικό φορτίο λόγω της περίσσειας ανιόντων άλατος. Και σε αυτή την περίπτωση, εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα στη διεπιφάνεια μετάλλου-διαλύματος, επομένως μια ορισμένη διαφορά δυναμικού (Εικ. γ). Στην εξεταζόμενη περίπτωση, το δυναμικό του ηλεκτροδίου είναι θετικό.

Ρύζι. Η διαδικασία μετάβασης ενός ιόντος από ένα μέταλλο σε ένα διάλυμα:

α – ισορροπία· β – διάλυση. γ – εναπόθεση

Το δυναμικό κάθε ηλεκτροδίου εξαρτάται από τη φύση του μετάλλου, τη συγκέντρωση των ιόντων του στο διάλυμα και τη θερμοκρασία. Εάν ένα μέταλλο βυθιστεί σε διάλυμα του άλατος του που περιέχει ένα mole ιόντος μετάλλου ανά 1 dm 3 (η δραστηριότητα του οποίου είναι 1), τότε το δυναμικό του ηλεκτροδίου θα είναι σταθερή τιμή σε θερμοκρασία 25 o C και πίεση 1 ΑΤΜ. Αυτό το δυναμικό ονομάζεται τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου (Ε ο).

Τα μεταλλικά ιόντα που έχουν θετικό φορτίο, διεισδύουν στο διάλυμα και κινούνται στο δυναμικό πεδίο της διεπαφής μετάλλου-διαλύματος, ξοδεύουν ενέργεια. Αυτή η ενέργεια αντισταθμίζεται από το έργο της ισοθερμικής διαστολής από μια υψηλότερη συγκέντρωση ιόντων στην επιφάνεια σε μια χαμηλότερη στο διάλυμα. Τα θετικά ιόντα συσσωρεύονται στο επιφανειακό στρώμα σε μια συγκέντρωση Με Ο, και μετά πηγαίνετε σε διάλυμα, όπου η συγκέντρωση των ελεύθερων ιόντων Με. Το έργο του ηλεκτρικού πεδίου EnF είναι ίσο με το ισόθερμο έργο διαστολής RTln(с o /с). Εξισώνοντας και τις δύο εκφράσεις εργασίας, μπορούμε να εξαγάγουμε το μέγεθος του δυναμικού

En F = RTln(s o /s), -E = RTln(s/s o)/nF,

όπου E είναι το μεταλλικό δυναμικό, V; R – καθολική σταθερά αερίου, J/mol K; T – θερμοκρασία, K; n – φορτίο ιόντων. F – αριθμός Faraday. c – συγκέντρωση ελεύθερων ιόντων.

с о – συγκέντρωση ιόντων στο επιφανειακό στρώμα.

Δεν είναι δυνατό να μετρηθεί άμεσα η τιμή του δυναμικού, καθώς είναι αδύνατο να προσδιοριστεί πειραματικά η τιμή του δυναμικού. Οι τιμές προσδιορίζονται εμπειρικά δυναμικά ηλεκτροδίωνσε σχέση με την τιμή του άλλου ηλεκτροδίου, το δυναμικό του οποίου συμβατικά υποτίθεται ότι είναι μηδέν. Ένα τέτοιο πρότυπο ή ηλεκτρόδιο αναφοράς είναι κανονικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου (n.v.e.) . Η δομή του ηλεκτροδίου υδρογόνου φαίνεται στο σχήμα. Αποτελείται από μια πλάκα πλατίνας επικαλυμμένη με ηλεκτρολυτικά εναποτιθέμενη πλατίνα. Το ηλεκτρόδιο βυθίζεται σε διάλυμα θειικού οξέος 1Μ (η δραστηριότητα των ιόντων υδρογόνου είναι 1 mol/dm3) και πλένεται με ρεύμα αερίου υδρογόνου υπό πίεση 101 kPa και Τ = 298 Κ. Όταν η πλατίνα είναι κορεσμένη με υδρογόνο , η ισορροπία δημιουργείται στην μεταλλική επιφάνεια, η συνολική διαδικασία εκφράζεται με την εξίσωση

2Н + +2е ↔ Н 2 .

Εάν μια πλάκα μετάλλου βυθισμένη σε διάλυμα 1Μ άλατος αυτού του μετάλλου συνδεθεί με εξωτερικό αγωγό σε ένα τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου και τα διαλύματα συνδέονται με ηλεκτρολυτικό κλειδί, τότε λαμβάνουμε ένα γαλβανικό στοιχείο (Εικ. 32). Η ηλεκτροκινητική δύναμη αυτού του γαλβανικού στοιχείου θα είναι η ποσότητα τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου ενός δεδομένου μετάλλου (Ε Ο ).

Σχέδιο μέτρησης τυπικού δυναμικού ηλεκτροδίου

σε σχέση με το ηλεκτρόδιο υδρογόνου

Λαμβάνοντας τον ψευδάργυρο σε ένα διάλυμα θειικού ψευδαργύρου 1 M ως ηλεκτρόδιο και συνδέοντάς τον με ένα ηλεκτρόδιο υδρογόνου, λαμβάνουμε ένα γαλβανικό στοιχείο, το κύκλωμα του οποίου μπορεί να γραφτεί ως εξής:

(-) Zn/Zn 2+ // 2H + /H2, Pt (+).

Στο διάγραμμα, μια γραμμή υποδεικνύει τη διεπαφή μεταξύ του ηλεκτροδίου και του διαλύματος, δύο γραμμές υποδηλώνει τη διεπαφή μεταξύ των διαλυμάτων. Αριστερά γράφεται η άνοδος, δεξιά η κάθοδος. Σε ένα τέτοιο στοιχείο, λαμβάνει χώρα η αντίδραση Zn o + 2H + = Zn 2+ + H 2 και τα ηλεκτρόνια περνούν μέσω του εξωτερικού κυκλώματος από τον ψευδάργυρο στο ηλεκτρόδιο υδρογόνου. Τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου για ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου (-0,76 V).

Λαμβάνοντας ως ηλεκτρόδιο μια πλάκα χαλκού, υπό τις καθορισμένες συνθήκες σε συνδυασμό με ένα τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου, λαμβάνουμε ένα γαλβανικό στοιχείο

(-) Pt, H2/2H + //Cu2+ /Cu (+).

Στην περίπτωση αυτή γίνεται η αντίδραση: Cu 2+ + H 2 = Cu o + 2H +. Τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσω του εξωτερικού κυκλώματος από το ηλεκτρόδιο υδρογόνου στο ηλεκτρόδιο χαλκού. Τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου ηλεκτροδίου χαλκού (+0,34 V).

Ένας αριθμός τυπικών δυναμικών ηλεκτροδίων (τάσεις). Εξίσωση Nernst

Με τη διάταξη των μετάλλων σε αύξουσα σειρά των τυπικών δυναμικών ηλεκτροδίων τους, προκύπτει μια σειρά τάσεων Nikolai Nikolaevich Beketov (1827-1911), ή μια σειρά από τυπικά δυναμικά ηλεκτροδίων. Οι αριθμητικές τιμές των τυπικών δυναμικών ηλεκτροδίων για έναν αριθμό τεχνικά σημαντικών μετάλλων δίνονται στον πίνακα.

Εύρος καταπόνησης μετάλλων

Ορισμένες τάσεις χαρακτηρίζουν ορισμένες ιδιότητες των μετάλλων:

1. Όσο χαμηλότερο είναι το δυναμικό ηλεκτροδίου ενός μετάλλου, τόσο πιο χημικά ενεργό είναι, τόσο πιο εύκολα οξειδώνεται και τόσο πιο δύσκολο είναι να ανακτηθεί από τα ιόντα του. Τα ενεργά μέταλλα στη φύση υπάρχουν μόνο με τη μορφή ενώσεων Na, K, ..., βρίσκονται στη φύση τόσο με τη μορφή ενώσεων όσο και σε ελεύθερη κατάσταση Cu, Ag, Hg. Au, Pt - μόνο σε ελεύθερη κατάσταση.

2. Μέταλλα που έχουν περισσότερο αρνητικό δυναμικό ηλεκτροδίων από το μαγνήσιο εκτοπίζουν το υδρογόνο από το νερό.

3. Τα μέταλλα της σειράς τάσης μέχρι το υδρογόνο εκτοπίζουν το υδρογόνο από διαλύματα αραιών οξέων (τα ανιόντα των οποίων δεν παρουσιάζουν οξειδωτικές ιδιότητες);

4. Κάθε μέταλλο της σειράς που δεν αποσυντίθεται νερό εκτοπίζει μέταλλα που έχουν περισσότερες θετικές τιμές δυναμικών ηλεκτροδίων από διαλύματα των αλάτων τους.

5. Όσο περισσότερα μέταλλα διαφέρουν στις τιμές των δυναμικών ηλεκτροδίων, τόσο περισσότερα υψηλότερη τιμή e.m.f. θα έχει ένα γαλβανικό στοιχείο κατασκευασμένο από αυτά.

Η εξάρτηση του δυναμικού ηλεκτροδίου (Ε) από τη φύση του μετάλλου, τη δραστηριότητα των ιόντων του στο διάλυμα και τη θερμοκρασία εκφράζεται με την εξίσωση Nernst

E Me = E o Me + RTln(a Me n +)/nF,

όπου E o Me είναι το τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου του μετάλλου και Men + είναι η δραστηριότητα των μεταλλικών ιόντων σε διάλυμα. Σε τυπική θερμοκρασία 25 o C, για αραιά διαλύματα, αντικαθιστώντας τη δραστηριότητα (a) με τη συγκέντρωση (c), φυσικός λογάριθμοςδεκαδικό και αντικαθιστώντας τις τιμές των R, T και F, παίρνουμε

E Me = E o Me + (0,059/n)logс.

Για παράδειγμα, για ένα ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου τοποθετημένο σε διάλυμα του άλατος του, η συγκέντρωση των ένυδρων ιόντων Zn 2+ × mH 2 O Ας το συντομεύσουμε ως Zn 2+, λοιπόν

E Zn = E o Zn + (0,059/n) log[Zn 2+].

Αν = 1 mol/dm 3, τότε E Zn = E o Zn.

Γαλβανικές κυψέλες, η ηλεκτροκινητική τους δύναμη

Δύο μέταλλα βυθισμένα σε διαλύματα των αλάτων τους, συνδεδεμένα με έναν αγωγό, σχηματίζουν ένα γαλβανικό στοιχείο. Η πρώτη γαλβανική κυψέλη εφευρέθηκε από τον Alexander Volt το 1800. Η κυψέλη αποτελούνταν από πλάκες χαλκού και ψευδαργύρου που χωρίζονταν με ύφασμα εμποτισμένο σε διάλυμα θειικού οξέος. Όταν ένας μεγάλος αριθμός πλακών συνδέονται σε σειρά, το στοιχείο Volta έχει σημαντική ηλεκτροκινητική δύναμη (emf).

Η εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα γαλβανικό στοιχείο προκαλείται από τη διαφορά στα δυναμικά των ηλεκτροδίων των μετάλλων που λαμβάνονται και συνοδεύεται από χημικούς μετασχηματισμούς που συμβαίνουν στα ηλεκτρόδια. Ας εξετάσουμε τη λειτουργία ενός γαλβανικού στοιχείου χρησιμοποιώντας το παράδειγμα ενός στοιχείου χαλκού-ψευδάργυρου (J. Daniel - B.S. Jacobi).

Διάγραμμα γαλβανικής κυψέλης χαλκού-ψευδάργυρου Daniel-Jacobi

Σε ένα ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου βυθισμένο σε διάλυμα θειικού ψευδαργύρου (c = 1 mol/dm 3), λαμβάνει χώρα οξείδωση ψευδαργύρου (διάλυση ψευδαργύρου) Zn o - 2e = Zn 2+. Τα ηλεκτρόνια εισέρχονται στο εξωτερικό κύκλωμα. Ο Zn είναι πηγή ηλεκτρονίων. Ως πηγή ηλεκτρονίων θεωρείται το αρνητικό ηλεκτρόδιο - η άνοδος. Σε ένα ηλεκτρόδιο χαλκού βυθισμένο σε διάλυμα θειικού χαλκού (c = 1 mol/dm3), τα μεταλλικά ιόντα ανάγεται. Στο ηλεκτρόδιο εναποτίθενται άτομα χαλκού Cu 2+ + 2e = Cu o. Το ηλεκτρόδιο χαλκού είναι θετικό. Είναι η κάθοδος. Ταυτόχρονα, μερικά ιόντα SO 4 2- περνούν μέσω της γέφυρας άλατος σε ένα δοχείο με διάλυμα ZnSO 4 . Προσθέτοντας τις εξισώσεις των διεργασιών που συμβαίνουν στην άνοδο και την κάθοδο, παίρνουμε τη συνολική εξίσωση

ή σε μοριακή μορφή

Αυτή είναι μια κοινή αντίδραση οξειδοαναγωγής που συμβαίνει στη διεπιφάνεια μετάλλου-διαλύματος. Η ηλεκτρική ενέργεια ενός γαλβανικού στοιχείου λαμβάνεται λόγω χημική αντίδραση. Το θεωρούμενο γαλβανικό στοιχείο μπορεί να γραφτεί με τη μορφή ενός σύντομου ηλεκτροχημικού κυκλώματος

(-) Zn/Zn 2+ //Cu 2+ /Cu (+).

Απαραίτητη προϋπόθεση για τη λειτουργία ενός γαλβανικού στοιχείου είναι η διαφορά δυναμικού, λέγεται ηλεκτροκινητική δύναμη ενός γαλβανικού στοιχείου (EMF) . Ε.μ.φ. οποιοδήποτε γαλβανικό στοιχείο εργασίας έχει θετική τιμή. Για να υπολογίσετε το emf. γαλβανικό στοιχείο, είναι απαραίτητο να αφαιρέσουμε την τιμή του λιγότερο θετικού δυναμικού από την τιμή του πιο θετικού δυναμικού. Έτσι η εμ.φ. Το γαλβανικό στοιχείο χαλκού-ψευδαργύρου υπό τυπικές συνθήκες (t = 25 o C, c = 1 mol/dm 3, P = 1 atm) είναι ίσο με τη διαφορά μεταξύ των τυπικών δυναμικών ηλεκτροδίων του χαλκού (κάθοδος) και του ψευδαργύρου (άνοδος), που είναι

e.m.f. = E o C u 2+ / Cu - E o Zn 2+ / Zn = +0,34 V – (-0,76 V) = +1,10 V.

Όταν συνδυάζεται με ψευδάργυρο, το ιόν Cu 2+ μειώνεται.

Η διαφορά στα δυναμικά των ηλεκτροδίων που απαιτούνται για τη λειτουργία μπορεί να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας το ίδιο διάλυμα διαφορετικών συγκεντρώσεων και τα ίδια ηλεκτρόδια. Ένα τέτοιο γαλβανικό στοιχείο ονομάζεται συγκέντρωση , και λειτουργεί εξισώνοντας τις συγκεντρώσεις του διαλύματος. Ένα παράδειγμα θα ήταν ένα στοιχείο που αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια υδρογόνου

Pt, H 2 / H 2 SO 4 (s`) // H 2 SO 4 (s``) / H 2, Pt,

όπου c` = `; c`` = ``.

Αν p = 101 kPa, s`< с``, то его э.д.с. при 25 о С определяется уравнением

E = 0,059 lg(s``/s`).

Στο σ` = 1 mol-ion/dm 3 emf. στοιχείο προσδιορίζεται από τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου στο δεύτερο διάλυμα, δηλαδή E = 0,059lgс`` = -0,059 pH.

Προσδιορισμός της συγκέντρωσης των ιόντων υδρογόνου και κατά συνέπεια του pH του μέσου με μέτρηση του emf. το αντίστοιχο γαλβανικό στοιχείο ονομάζεται ποτενσιομετρία.

Μπαταρίες

Μπαταρίες ονομάζονται γαλβανικά κύτταρα επαναχρησιμοποιήσιμης και αναστρέψιμης δράσης. Είναι ικανά να μετατρέπουν τη συσσωρευμένη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια κατά την εκφόρτιση και την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια, δημιουργώντας ένα απόθεμα κατά τη φόρτιση. Δεδομένου ότι η ε.μ.φ. Οι μπαταρίες είναι μικρές κατά τη λειτουργία συνήθως συνδέονται σε μπαταρίες.

Μπαταρία μολύβδου οξέος . Μια μπαταρία μολύβδου-οξέος αποτελείται από δύο διάτρητες πλάκες μολύβδου, η μία από τις οποίες (αρνητική) μετά τη φόρτιση περιέχει ένα πληρωτικό - σπογγώδες ενεργό μόλυβδο και η άλλη (θετική) - διοξείδιο του μολύβδου. Και οι δύο πλάκες βυθίζονται σε διάλυμα θειικού οξέος 25 - 30% (Εικ. 35). Κύκλωμα μπαταρίας

(-) Pb/ p -p H 2 SO 4 / PbO 2 / Pb(+) .

Πριν από τη φόρτιση, μια πάστα που περιέχει, εκτός από το οργανικό συνδετικό, οξείδιο του μολύβδου PbO, αλείφεται στους πόρους των ηλεκτροδίων μολύβδου. Ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης του οξειδίου του μολύβδου με το θειικό οξύ, σχηματίζεται θειικός μόλυβδος στους πόρους των πλακών ηλεκτροδίων

PbO + H 2 SO 4 = PbSO 4 + H 2 O .

Οι μπαταρίες φορτίζονται με διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος

Διαδικασία εκφόρτισης

Συνολικά, οι διαδικασίες που συμβαίνουν κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση μιας μπαταρίας μπορούν να αναπαρασταθούν ως εξής:

Κατά τη φόρτιση μιας μπαταρίας, η πυκνότητα του ηλεκτρολύτη (θειικό οξύ) αυξάνεται και κατά την εκφόρτιση μειώνεται. Η πυκνότητα του ηλεκτρολύτη καθορίζει τον βαθμό αποφόρτισης της μπαταρίας. Ε.μ.φ. Μπαταρία μολύβδου 2,1 V.

Φόνταμπαταρία μολύβδου-οξέος - υψηλή ηλεκτρική χωρητικότητα, σταθερή λειτουργία, μεγάλο αριθμόκύκλους (εκφόρτιση-φόρτιση). Ελαττώματα - μεγάλη μάζακαι, κατά συνέπεια, χαμηλή ειδική χωρητικότητα, έκλυση υδρογόνου κατά τη φόρτιση και μη στεγανότητα παρουσία πυκνού διαλύματος θειικού οξέος. Οι αλκαλικές μπαταρίες είναι καλύτερες από αυτή την άποψη.

Αλκαλικές μπαταρίες. Αυτές περιλαμβάνουν μπαταρίες καδμίου-νικελίου και σιδήρου-νικελίου T. Edison.

Κυκλώματα μπαταρίας Edison και μπαταρίας μολύβδου

Είναι παρόμοια μεταξύ τους. Η διαφορά έγκειται στο υλικό των πλακών αρνητικών ηλεκτροδίων. Στην πρώτη περίπτωση είναι κάδμιο, στη δεύτερη είναι σίδηρος. Ο ηλεκτρολύτης είναι διάλυμα ΚΟΗ ω = 20% . Μεγαλύτερο πρακτική σημασίαέχουν μπαταρίες νικελίου-καδμίου. Διάγραμμα μπαταρίας καδμίου-νικελίου

(-) Διάλυμα Cd / KOH / Ni 2 O 3 / Ni (+).

Η λειτουργία μιας μπαταρίας καδμίου-νικελίου βασίζεται σε μια αντίδραση οξειδοαναγωγής που περιλαμβάνει Ni 3+

Ε.μ.φ. μιας φορτισμένης μπαταρίας νικελίου-καδμίου είναι 1,4 V.

Ο πίνακας δείχνει τα χαρακτηριστικά της μπαταρίας Edison και της μπαταρίας μολύβδου.

Ηλεκτροχημική διάβρωση μετάλλου. Καθοδική προστασία. Ανοδική προστασία. Παθητική προστασία. Δυναμικά ηλεκτροδίων - πίνακας.

Στη συντριπτική πλειονότητα των περιπτώσεων, η διάβρωση μετάλλων αναφέρεται στην οξείδωση ενός υλικού. Στην πράξη, το μεγαλύτερο κακό προκαλείται από το λεγόμενο. ηλεκτροχημική διάβρωση που συνοδεύεται από ενεργή μεταφορά ύλης. Οι μεταλλικές επιφάνειες είναι ευαίσθητες σε ηλεκτροχημική καταστροφή (διάβρωση) όταν έρχονται σε επαφή με ηλεκτρολύτες (διαβρωτικούς παράγοντες). Τέτοιοι παράγοντες μπορεί να είναι ατμοσφαιρικά αέρια, όπως η θάλασσα, η πόλη ή ο βιομηχανικός αέρας (δηλαδή διοξείδιο του θείου, υδροχλώριο και θειώδες κ.λπ.) ή ενεργά υγρά - άλμη, αλκάλια, θαλασσινό νερόκαι τα λοιπά. (για παράδειγμα, ιδρωμένα αποτυπώματα χεριών).

Εάν δημιουργηθεί ένα γαλβανικό ζεύγος ως αποτέλεσμα της επαφής ενός διαβρωτικού παράγοντα σε μεταλλικές επιφάνειες, τότε η μεταφορά μιας ουσίας από το ένα ηλεκτρόδιο του ζευγαριού στο άλλο εντείνεται πολλές φορές. Ο ρυθμός διάβρωσης καθορίζεται από τη διαφορά στα δυναμικά των ηλεκτροδίων του ζεύγους. Αυτή η διαδικασία συνήθως εννοείται όταν μιλάμε για ηλεκτροχημική διάβρωση.

Έχοντας την τάση να εγκαταλείπουν ηλεκτρόνια, λόγω του αρνητικού δυναμικού ηλεκτροδίου, τα περισσότερα μέταλλα οξειδώνονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας διάβρωσης. Εάν εφαρμοστεί ένα ορισμένο πρόσθετο θετικό δυναμικό στο προστατευμένο αντικείμενο = ένα ορισμένο αρνητικό δυναμικό της τάξης του δέκατου του βολτ διατηρείται σε αυτό, τότε η πιθανότητα μιας αντίδρασης οξείδωσης πέφτει σχεδόν στο μηδέν. Αυτή η μέθοδοςπροστασία συνήθως εννοείται όταν μιλάμε για καθοδική προστασία.

Εάν μια ορισμένη ποσότητα μιας ουσίας με χαμηλότερο δυναμικό ηλεκτροδίου (για παράδειγμα, ψευδάργυρος ή μαγνήσιο για την προστασία του σιδήρου) τοποθετηθεί στο σημείο πιθανής διάβρωσης, τότε θα συμβεί η αντίδραση οξείδωσης σε αυτήν. Πρέπει να διασφαλίζεται καλή ηλεκτρική επαφή μεταξύ αυτού του πρόσθετου προστατευτική άνοδος(θυσιαστική άνοδος) και προστατευμένο μέταλλο. Έχετε μαντέψει γιατί οι σωλήνες είναι γαλβανισμένοι; Τι γίνεται με τα φύλλα σιδήρου για στέγες; Φυσικά, όταν η προστατευτική άνοδος διαλυθεί εντελώς, όλα θα πάνε όπως συνήθως.

Υπό παθητική προστασίακατανοήστε την επίστρωση του προστατευμένου δείγματος με ένα διηλεκτρικό για να αποτρέψετε την εμφάνιση γαλβανικού κυκλώματος. Για παράδειγμα, μπορείτε να βάψετε μια μεταλλική κατασκευή λαδομπογιάκαι τα λοιπά.

Τραπέζι. Τυπικά δυναμικά ηλεκτροδίων ορισμένων ουσιών:

1. Όσο χαμηλότερο είναι το δυναμικό ηλεκτροδίου ενός μετάλλου, τόσο πιο χημικά ενεργό είναι, τόσο πιο εύκολα οξειδώνεται και τόσο πιο δύσκολο είναι να ανακτηθεί από τα ιόντα του. Τα ενεργά μέταλλα στη φύση υπάρχουν μόνο με τη μορφή ενώσεων Na, K, ..., βρίσκονται στη φύση τόσο με τη μορφή ενώσεων όσο και σε ελεύθερη κατάσταση Cu, Ag, Hg. Au, Pt - μόνο σε ελεύθερη κατάσταση.

2. Μέταλλα που έχουν περισσότερο αρνητικό δυναμικό ηλεκτροδίων από το μαγνήσιο εκτοπίζουν το υδρογόνο από το νερό.

3. Μέταλλα που βρίσκονται στη σειρά τάσης πριν από το υδρογόνο εκτοπίζουν το υδρογόνο από διαλύματα αραιών οξέων (τα ανιόντα των οποίων δεν παρουσιάζουν οξειδωτικές ιδιότητες).

4. Κάθε μέταλλο της σειράς που δεν αποσυντίθεται νερό εκτοπίζει μέταλλα που έχουν περισσότερες θετικές τιμές δυναμικού ηλεκτροδίου από διαλύματα των αλάτων τους.

5. Όσο περισσότερο διαφέρουν τα μέταλλα στις τιμές των δυναμικών των ηλεκτροδίων, τόσο μεγαλύτερη είναι η τιμή emf. θα έχει ένα γαλβανικό στοιχείο κατασκευασμένο από αυτά.

Η εξάρτηση του δυναμικού ηλεκτροδίου (Ε) από τη φύση του μετάλλου, τη δραστηριότητα των ιόντων του στο διάλυμα και τη θερμοκρασία εκφράζεται με την εξίσωση Nernst

E Me = E o Me + RTln(a Me n +)/nF,

όπου E o Me είναι το τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου του μετάλλου και Men + είναι η δραστηριότητα των μεταλλικών ιόντων σε διάλυμα. Σε τυπική θερμοκρασία 25 o C, για αραιά διαλύματα, αντικαθιστώντας τη δραστηριότητα (α) με συγκέντρωση (c), τον φυσικό λογάριθμο με δεκαδικό και αντικαθιστώντας τις τιμές των R, T και F, λαμβάνουμε

E Me = E o Me + (0,059/n)logс.

Για παράδειγμα, για ένα ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου τοποθετημένο σε διάλυμα του άλατος του, η συγκέντρωση των ένυδρων ιόντων Zn 2+ × mH 2 O Ας το συντομεύσουμε ως Zn 2+, λοιπόν

E Zn = E o Zn + (0,059/n) log[Zn 2+].

Αν = 1 mol/dm 3, τότε E Zn = E o Zn.

Με τη διάταξη των μετάλλων σε αύξουσα σειρά των τυπικών δυναμικών ηλεκτροδίων τους, προκύπτει μια σειρά από τάσεις του Nikolai Nikolaevich Beketov (1827-1911), ή μια σειρά από τυπικά δυναμικά ηλεκτροδίων.

Ένας αριθμός τυπικών δυναμικών ηλεκτροδίων χαρακτηρίζει ποσοτικά την αναγωγική ικανότητα των ατόμων μετάλλου και την οξειδωτική ικανότητα των ιόντων τους.   πιθανή κατεύθυνσηη αντίδραση θα είναι φυσικά η ίδια όπως όταν διεξάγεται σε γαλβανική κυψέλη.  

Ένας αριθμός τυπικών δυναμικών ηλεκτροδίων καθιστά δυνατή την επίλυση του ζητήματος της κατεύθυνσης της αυθόρμητης εμφάνισης αντιδράσεων οξειδοαναγωγής. Όπως στη γενική περίπτωση οποιασδήποτε χημικής αντίδρασης, ο καθοριστικός παράγοντας εδώ είναι το πρόσημο της αλλαγής της ενέργειας Gibbs της αντίδρασης. Αλλά αυτό σημαίνει ότι το πρώτο από αυτά τα συστήματα θα λειτουργεί ως αναγωγικός παράγοντας και το δεύτερο ως οξειδωτικός παράγοντας. Με την άμεση αλληλεπίδραση ουσιών, η πιθανή κατεύθυνση της αντίδρασης θα είναι φυσικά η ίδια όπως όταν διεξάγεται σε ένα γαλβανικό στοιχείο.  

Ένας αριθμός τυπικών δυναμικών ηλεκτροδίων χαρακτηρίζει τις χημικές ιδιότητες των μετάλλων.  

Ένας αριθμός τυπικών δυναμικών ηλεκτροδίων χαρακτηρίζει χημικές ιδιότητεςμέταλλα Χρησιμοποιείται κατά την εξέταση της αλληλουχίας εκκένωσης ιόντων κατά την ηλεκτρόλυση, καθώς και κατά την περιγραφή των γενικών ιδιοτήτων των μετάλλων.  

Ένας αριθμός τυπικών δυναμικών ηλεκτροδίων καθιστά δυνατή την επίλυση του ζητήματος της κατεύθυνσης της αυθόρμητης εμφάνισης οξειδωτικών και μη αναγωγικών αντιδράσεων. Όπως στη γενική περίπτωση οποιασδήποτε χημικής αντίδρασης, ο καθοριστικός παράγοντας εδώ είναι η αλλαγή στο ισοβαρικό δυναμικό της αντίδρασης. Αλλά αυτό σημαίνει ότι το πρώτο από αυτά τα συστήματα θα λειτουργήσει ως αναγωγικός παράγοντας και το δεύτερο - ως οξειδωτικός παράγοντας. Με την άμεση αλληλεπίδραση ουσιών, η πιθανή κατεύθυνση της αντίδρασης θα είναι, φυσικά, η ίδια όπως όταν διεξάγεται σε ένα γαλβανικό στοιχείο.  

Ένας αριθμός τυπικών δυναμικών ηλεκτροδίων χαρακτηρίζει τις χημικές ιδιότητες των μετάλλων. Χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της αλληλουχίας εκφόρτισης των ιόντων κατά την ηλεκτρόλυση, καθώς και για την περιγραφή των γενικών ιδιοτήτων των μετάλλων. Στην περίπτωση αυτή, οι τιμές των τυπικών δυναμικών ηλεκτροδίων χαρακτηρίζουν ποσοτικά την αναγωγική ικανότητα των μετάλλων και την οξειδωτική ικανότητα των ιόντων τους.  

Li, K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Cr, Fe, Pb, H 2 , Cu, Ag, Hg, Au

Όσο πιο αριστερά είναι ένα μέταλλο στη σειρά των τυπικών δυναμικών ηλεκτροδίων, τόσο ισχυρότερος είναι ο αναγωγικός παράγοντας που είναι το μέταλλο λιθίου, ο χρυσός είναι το πιο αδύναμο και, αντίθετα, το ιόν χρυσού (III) είναι το ισχυρότερο οξειδωτικό. παράγοντας, το λίθιο (Ι) είναι το πιο αδύναμο .

Κάθε μέταλλο είναι ικανό να μειώσει από τα άλατα σε διάλυμα εκείνα τα μέταλλα που βρίσκονται στη σειρά τάσεων μετά από αυτό, για παράδειγμα, ο σίδηρος μπορεί να εκτοπίσει το χαλκό από τα διαλύματα των αλάτων του. Ωστόσο, να θυμάστε ότι τα μέταλλα αλκαλίων και αλκαλικών γαιών θα αντιδράσουν απευθείας με το νερό.

Τα μέταλλα που βρίσκονται στη σειρά τάσης στα αριστερά του υδρογόνου είναι ικανά να το εκτοπίσουν από διαλύματα αραιών οξέων, ενώ διαλύονται σε αυτά.

Η αναγωγική δραστηριότητα ενός μετάλλου δεν αντιστοιχεί πάντα στη θέση του στον περιοδικό πίνακα, επειδή κατά τον προσδιορισμό της θέσης ενός μετάλλου σε μια σειρά, λαμβάνεται υπόψη όχι μόνο η ικανότητά του να δίνει ηλεκτρόνια, αλλά και η ενέργεια που δαπανάται για την καταστροφή του το κρυσταλλικό πλέγμα του μετάλλου, καθώς και η ενέργεια που δαπανάται για την ενυδάτωση των ιόντων.

Αλληλεπίδραση με απλές ουσίες

ΜΕ οξυγόνο Τα περισσότερα μέταλλα σχηματίζουν οξείδια - αμφοτερικά και βασικά:

4Li + O 2 = 2Li 2 O,

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3.

Τα αλκαλικά μέταλλα, με εξαίρεση το λίθιο, σχηματίζουν υπεροξείδια:

2Na + O 2 = Na 2 O 2.

ΜΕ αλογόνα τα μέταλλα σχηματίζουν άλατα υδραλογονικών οξέων, για παράδειγμα,

Cu + Cl 2 = CuCl 2.

ΜΕ υδρογόνο τα πιο ενεργά μέταλλα σχηματίζουν ιοντικά υδρίδια - ουσίες που μοιάζουν με άλατα στις οποίες το υδρογόνο έχει κατάσταση οξείδωσης -1.

2Na + H2 = 2NaH.

ΜΕ γκρί τα μέταλλα σχηματίζουν σουλφίδια - άλατα υδρόθειου οξέος:

ΜΕ άζωτο Ορισμένα μέταλλα σχηματίζουν νιτρίδια η αντίδραση συμβαίνει σχεδόν πάντα όταν θερμαίνονται:

3Mg + N2 = Mg3N2.

ΜΕ άνθρακας σχηματίζονται καρβίδια:

4Al + 3C = Al 3 C 4.

ΜΕ φώσφορος – φωσφίδια:

3Ca + 2P = Ca 3 P 2 .

Τα μέταλλα μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους, σχηματίζοντας διαμεταλλικές ενώσεις :

2Na + Sb = Na 2 Sb,

3Cu + Au = Cu 3 Au.

Τα μέταλλα μπορούν να διαλυθούν μεταξύ τους σε υψηλές θερμοκρασίες χωρίς να αντιδράσουν, να σχηματιστούν κράματα.

Κράματα

Κράματα ονομάζονται συστήματα που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα μέταλλα, καθώς και μέταλλα και αμέταλλα, τα οποία έχουν χαρακτηριστικές ιδιότητες εγγενείς μόνο στη μεταλλική κατάσταση.

Οι ιδιότητες των κραμάτων είναι πολύ διαφορετικές και διαφέρουν από τις ιδιότητες των συστατικών τους, για παράδειγμα, για να γίνει ο χρυσός πιο σκληρός και πιο κατάλληλος για την κατασκευή κοσμημάτων, προστίθεται ασήμι σε αυτό και ένα κράμα που περιέχει 40% κάδμιο και 60% βισμούθιο έχει σημείο τήξης 144 °C, δηλαδή πολύ χαμηλότερο από το σημείο τήξης των συστατικών του (Cd 321 °C, Bi 271 °C).

Είναι δυνατοί οι ακόλουθοι τύποι κραμάτων:

Τα τηγμένα μέταλλα αναμιγνύονται μεταξύ τους σε οποιαδήποτε αναλογία, διαλύοντας το ένα στο άλλο επ' αόριστον, για παράδειγμα, Ag-Au, Ag-Cu, Cu-Ni και άλλα. Αυτά τα κράματα είναι ομοιογενή στη σύσταση, έχουν υψηλή χημική αντίσταση και φέρουν ηλεκτρικό ρεύμα.

Τα ισιωμένα μέταλλα αναμιγνύονται μεταξύ τους σε οποιαδήποτε αναλογία, αλλά όταν ψύχονται διαχωρίζονται και λαμβάνεται μια μάζα που αποτελείται από μεμονωμένους κρυστάλλους συστατικών, για παράδειγμα, Pb-Sn, Bi-Cd, Ag-Pb και άλλα.