Xreferat.com » Рефераты по химии » Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали

Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали

Міністерство ХХХХХХХХХХХХХХХХХ

ХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХ


Кафедра ХХХХХХХХХХХ


Реферат на тему:


«Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали»


Виконавець:


Керівник:


Луганськ, 2004


ПЛАН


Вступ

1. Окислювально-відновні реакції

1.1. Напівреакції

2. Гальванічні елементи

3. Електрорушійна сила (е.р.с.) гальванічного елементу

3.1. Стандартні електродні потенціали

3.2. Окислювачі і відновлювачи

4. Мимовільність і ступінь протікання окислювально-відновних реакцій

4.1. Е.р.с. і зміна вільної енергії

4.2. Е.р.с. і константа рівноваги

4.3. Е.р.с. і концентрація

5. Гальванічні елементи, котрі застосовуються на практиці

5.1. Свинцева акумуляторна батарея

5.2. Сухий елемент

5.3. Ni-Cd батареї

5.4. Паливні елементи

Висновки

Список використаних джерел


Вступ

Для проведення багатьох важливих хімічних процесів необхідна електрична енергія, інші ж процеси, навпаки, можуть дати її. Оскільки електрика відіграє важливу роль у сучасній цивілізації, цікаво ознайомитися з тією областю хімії, що називається електрохімією і розглядає взаємозв'язок, що існує між електрикою і хімічними реакціями [1].

Електрохімія – це розділ фізичної хімії, що вивчає властивості систем, що містять рухливі іони (розчинів, розплавів чи твердих електролітів), а також явища, що виникають на межі двох фаз (наприклад, металу і розчину електроліту) унаслідок переносу заряджених часток (електронів та іонів). Електрохімія розробляє наукові основи електролізу, електросинтезу, гальванотехніки, захисту металів від корозії, створення хімічних джерел струму й ін. Електрохімічні процеси також відіграють важливу роль у життєдіяльності організмів – передача нервових імпульсів – це теж електрохімічний процес [11].

Знайомство з електрохімією дозволяє одержати уявлення про такі різноманітні питання, як будова і дія електричних батарей, мимовільність протікання хімічних реакцій, електроосадження металів для одержання металевих покрить і корозія металів.

Оскільки електричний струм зв'язаний з переміщенням електричних зарядів, зокрема електронів, в електрохімії увага зосереджена на реакціях, у яких електрони переносяться від однієї речовини до іншої. Такі реакції називаються окислювально-відновними [9].


Окислювально-відновні реакції

Як відомо, окислювання являє собою не щось інше, як підвищення ступеня окислювання (відщіплення електронів), а відновлення як зменшення ступеня окислювання (приєднання електронів). Якщо одна речовина приєднує електрони і тим самим відновлюється, то інша речовина повинна віддавати електрони і, отже, окислятися. Окислювання і відновлення повинні йти одночасно, одне з них не може відбуватися без іншого. Розглянемо, наприклад, реакцію між залізом і хлоридною кислотою:

0 +1–1 +2–1 0

Fe (тв.) + 2НCl (м.) Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали FеСl2 (тв.) + Н2 (м.) (1.1)

Ступінь окислювання кожного елемента зазначена над його символом. Розглядаючи ступеня окислювання, зазначені в рівнянні, ми переконуємося, що залізо окисляється, у той час як HCl відновлюється.

Під час обговорення окислювально-відновних реакцій прийнято вважати речовину, що викликає окислювання, окислювачем. Окислювач має підвищену спорідненість до електронів і викликає окислювання інших речовин, відщіпляючи від них електрони. Оскільки окислювач приєднує електрони, він відновлюється. Аналогічна речовина, що викликає відновлення, називається відновлювачем. У реакції (1.1) HCl – це окислювач, a Fe – відновлювач. Речовина, відновлена в реакції, завжди є окислювачем, а речовина, яка окисляється – відновлювачем [1, 2].


Напівреакції

Хоча окислювання і відновлення повинні відбуватися одночасно, часто зручно розглядати їх як окремі процеси. Наприклад, реакцію окислювання іона Sn2+ іоном Fe3+

Sn2+ (водн.) + 2Fе3+ (водн.) Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали Sn4+ (водн.) + 2Fе2+ (водн.) (1.2)

можна уявити собі як сукупність двох процесів: 1) окислювання Sn2+, описуваного рівнянням (1.3), і 2) відновлення Fe3+, описуваного рівнянням (1.4):

Окислювання: Sn2+(водн.) Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали Sn4+ (водн.) + 2е– (1.3)

Відновлення: 2Fе3+ (водн.) + 2е– Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали 2Fе2+ (водн.) (1.4)

Такі рівняння, що описують тільки окислювання чи тільки відновлення, називаються напівреакціями. Як видно з рівнянь (1.3) і (1.4), число електронів, що втрачається в процесі окислювання, тобто в окисній напівреакції, повинно дорівнювати числу електронів, що здобуваються у відбудовній напівреакції. Якщо ця умова виконана і напівреакції записані стехіометричними повними рівняннями, при їхньому підсумовуванні виходить стехіометричне збалансоване повне рівняння окислювально-відновної реакції [1, 5].


Гальванічні елементи

Частіше енергію, що виділяється в будь-якій мимовільній окислювально-відновній реакції, можна безпосередньо використовувати для виконання електричної роботи. Це здійснено в гальванічному елементі, що представляє собою пристрій, у якому перенос електронів відбувається по зовнішньому шляху, а не безпосередньо між реагентами.

Одна з таких мимовільних реакцій відбувається, якщо шматочок цинку помістити в розчин, що містить іони Cu2+. При протіканні цієї реакції блакитне фарбування розчину, характерна для іонів Cu2+ (водн.), зникає, і на поверхні цинку починає осаджуватися металева мідь. Одночасно відбувається розчинення цинку. Ці перетворення, показані на мал. 2.1, описуються рівнянням: Zn (тв.) + Cu2+ (водн.) Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали Zn2+ (водн.) + Cu (тв.) (2.1)

На мал. 2.2 показаний гальванічний елемент, у якому використовується окислювально-відновна реакція між Zn і Cu2+, описувана рівнянням (2.1). Хоча експериментальний пристрій, показаний на мал. 2.2, складніше, ніж зображений на мал. 2.1, важливо переконатися, що в обох випадках мова йде про одну і ту ж саму хімічну реакцію. Головне розходження між цими двома експериментами полягає в тому, що на мал. 2.2 металевий цинк і Cu2+ (водн.) не знаходяться у безпосередньому контакті один з одним. Отже, Cu2+ може відновлюватися тільки в результаті перетіканню електронів по дроту, що з'єднує Zn і Cu (тобто по зовнішньому ланцюгу).

Два металевих елементи, що з'єднані зовнішнім ланцюгом, називаються електродами. По визначенню електрод, на якому відбувається окислювання, називається анодом, а електрод, на якому відбувається відновлення, називається катодом. У розглянутому прикладі Zn є анодом, а Cu – катодом:

Окислювання на аноді Zn (тв.) Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали Zn2+ (вoдн.) + 2е–

Відновлення на катоді Cu2+ (водн.) + 2е– Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали Cu (тв.)

Гальванічний елемент можна розглядати як пристрій, котрий складається з двох напівелементів, один із яких відповідає процесу окислювання, а інший – процесу відновлення. При окислюванні металевого цинку на аноді виникають вільні електрони. Вони перетікають по зовнішньому ланцюгу до катода, де відбувається їхнє поглинання в процесі відновлення Cu2+ (водн.). Угода про вибір знаків для електродів гальванічного елемента заснована на розгляді зовнішнього ланцюга. Електрони мимовільно переміщаються від негативного електрода до позитивного, отже, анод є негативним електродом, а катод – позитивним.

Під час роботи гальванічного елемента, зображеного на мал. 2.2, окислювання Zn приводить до появи додаткових іонів Zn2+ в анодному відділенні елемента. Якщо не існує способу нейтралізації їхнього позитивного заряду,

подальше окислювання припиняється. Подібно цьому відновленню Cu2+ викликає появу надлишкового негативного заряду в розчині в катодному відділенні. Принцип електронейтральності дотримується завдяки міграції іонів через «сольовий місток», що показаний на мал. 2.2. Сольовий місток являє собою U-образну трубку, що містить розчин якого-небудь електроліту, наприклад NaNO3 (водн.), іони якого не реагують з іншими іонами в гальванічному елементі, а також з матеріалами, з яких зроблені електроди. Кінці U-образної трубки закривають скловатою чи гелем, просоченим електролітом, щоб при перевертанні трубки електроліт не вилився з неї. При протіканні на електродах процесів окислювання і відновлення іони із сольового містка проникають в анодне і катодне відділення гальванічного елементу, щоб нейтралізувати заряди, що там утворяться. Аніони мігрують у напрямку до анода, а катіони – у напрямку до катода. Частіше в зовнішньому ланцюзі не протікає ніякого струму доти, поки іони не одержать можливість мігрувати через розчин з одного електродного відділення в інше і тим самим замикати електричний ланцюг [1, 9].


Електрорушійна сила (е.р.с.) гальванічного елементу

Можна уявити собі, що в гальванічного елемента існує «рушійна сила» (чи «електричний тиск»), що переміщає електрони по зовнішньому ланцюгу елементу. Ця рушійна сила називається електрорушійною силою (скорочено е.р.с.) елементу; е.р.с. виміряється в одиницях електричної напруги (вольтах) і інакше називається напругою, чи потенціалом, гальванічного елемента. Один вольт являє собою е.р.с., необхідну для того, щоб заряд у 1 кулон придбав енергію в 1 Дж:

1 В = 1 Дж/Кл

Точний вимір е.р.с. гальванічного елемента вимагає застосування спеціальних приладів. Ці виміри варто виконувати таким чином, щоб через гальванічний елемент протікав мізерно малий струм. Якщо допустити протікання значного струму, то напруга гальванічного елемента знижується, тому що він має внутрішній опір, і, крім того, навколо електродів відбуваються зміни концентрацій іонів у розчинах.

Гальванічний елемент, зображений на мал. 2.2, при роботі в стандартних умовах створює е.р.с. величиною 1,10 В. Нагадаємо, що стандартним умовам відповідають 1 М концентрації реагентів і продуктів у розчинах і тиску в 1 атм. для газоподібних учасників реакцій. У розглянутому прикладі гальванічний елемент повинний працювати при [Cu2+] = [Zn2+] = 1 М. Е.р.с., створювана гальванічним елементом, позначається буквою E. Якщо гальванічний елемент працює при стандартних умовах, то він створює стандартну е.р.с., що позначається символом Е°:

Zn (тв.) + Cu2+ (водн.) Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали Zn2+ (водн.) + Cu (тв.) E° = 1,10 В (3.1)

Е.р.с. будь-якого гальванічного елементу залежить від того, яка реакція в ньому здійснюється, а також від концентрацій реагентів, продуктів і від температури гальванічного елемента, що звичайно вважають рівною 25°С, якщо не зроблено особливого застереження [1].


Стандартні електродні потенціали

Точно так само як повну реакцію, яка протікає в гальванічному елементі, можна представити у виді суми двох напівреакцій, так і э.р.с. гальванічного елемента можна представити у виді суми двох електродних потенціалів: один з них обумовлений відщіпленням електронів на аноді (окисний потенціал Еокисн), а іншої – приєднанням електронів на катоді (потенціал відновлення Евідн.):

Еелемента = Еокисн + Евідн (3.2)


Рис. 3.1. Гальванічний елемент із водневим електродом
Провести безпосередній вимір окисного і відновлювального потенціалів по окремості неможливо. Однак якщо, однієї напівреакції умовно приписати стандартний електродний потенціал, то стандартні потенціали інших напівреакцій можна визначати щодо цього умовного еталона. Як такий умовний еталон обрана напівреакція, що відповідає відновленню Н+ з утворенням Н2. Їй умовно приписується стандартний відбудовний потенціал, який у точності дорівнює 0 В:

2Н+ (1М) + 2е– Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали Н2(1 атм) Е°відн = 0 В (3.3)

На мал. 3.1 схематично зображений гальванічний елемент, у якому використовується окислювально-відновна реакція між Zn і Н+:

Zn (тв.) + 2Н+(водн.) Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали Zn2+ (водн.) + Н2 (г.) (3.4)

Окислювання цинку відбувається в анодному, а відновлення Н+ – у катодному відділенні. У цьому гальванічному елементі працюючий при стандартних умовах ([Н+] = 1М и Рн2 = 1 атм) стандартний водневий електрод складається з платинового дротика і шматочка платинової фольги, покритої тонко здрібненою платиною, що служить інертною поверхнею для катодної реакції. Електрод знаходиться у скляній трубці, у якій збирається газоподібний водень, що виділяється над поверхнею платини. Описаний гальванічний елемент створює стандартну э.р.с. Е° = 0,76 В. Використовуючи визначення стандартного відбудовного потенціалу Н+ (E°відн = 0), можна обчислити стандартний окисний потенціал Zn

Е°елемента = Е°окисл + Е°відн

0,76 В = Е°окисл + 0

Таким чином, цинку приписується стандартний окисний потенціал 0,76 В

Zn (тв.) Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали Zn2+ (водн.) + 2е– E°окисл = 0,76 В (3.5)

Стандартні потенціали інших електродних напівреакцій установлюються шляхом вимірів э.р.с. гальванічних елементів подібним чином.

Електродний потенціал будь-якої окисної напівреакції дорівнює по величині, але протилежний за знаком потенціалу зворотної відбудовної напівреакції

Наприклад:

Zn2+ (водн.) + 2е– Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали Zn (тв.) Е°відн = – 0,76 В (3.6)

Відповідно до прийнятої угоди, потенціали напівреакцій табулірують як стандартні відбудовні потенціали, що часто називають просто електродні потенціали. Комбінуючи між собою відповідні окисні і відбудовні реакції, можна по їхніх електродних потенціалах обчислювати стандартні э.р.с. найрізноманітніших гальванічних елементів [8, 1].


Окислювачі і відновлювачи

Потенціали напівреакцій показують, наскільки легко окислюються чи відновлюються відповідні частки. Чим більш позитивна Е° для напівреакції, тим більше тенденція до протікання цієї напівреакції в тому напрямку, у якому вона записана. Негативне значення відновлювального потенціалу вказує, що відновлення відповідної частки відбувається на трудніше, ніж відновлення іона Н+ (водн.), а негативне значення окисного потенціалу вказує, що дана частка окисляється трудніше, ніж Н2. Розглядаючи напівреакції можна переконатися, що легше за все відновлюється F2, і, отже, він являє собою найбільш сильний окислювач із усіх речовин

F2 (г.) + 2е– Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали 2F– (водн.) Е°відн = 2,87 В (3.7)

Іон літію Li+ відновлюється трудніше за всі інші і, отже, є найбільш слабким окислювачем:

Li+ (водн.) + е– Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали Li (тв.) E°відн = – 3,05 В (3.8)

До найбільш розповсюджених окислювачів відносяться галогени, кисень і такі оксіаніони, як, наприклад, Mn4–, Cr2O72– і NO3–, у яких центральний атом має високий позитивний ступінь окислювання. Як окислювачі іноді також використовуються іони металів з високими позитивними ступенями окислювання, наприклад Ce4+, який легко відновлюється до Ce3+.

Серед розглянутих речовин літій окисляється легше всього і, отже, є найбільш сильним відновлювачем:

Li (тв.) Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали Li+ (водн.) + е– E°окисл = 3,05 В (3.9)

Трудніше всіх інших окисляється фторид-іон F–, який, отже, є найбільш слабким відновлювачем:

2F– (водн.) Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали F2 (м.) +2e– Е°окисл = – 2,87 В (3.10)

У якості відновлювачей часто використовуються водень Н2 і багато металів з позитивними ступенями окислювання, а також іони деяких металів у нижчих ступенях окислювання, наприклад Sn2+, який окисляється в Sn4+. Розчини відновлювачей важко зберігати тривалий час, оскільки вони взаємодіють із присутнім усюди O2, який є гарним окислювачем. Наприклад, розчини проявників для фотографії є слабкими відновлювачами і не підлягають тривалому збереженню, тому що легко окисляються киснем повітря [1].


Мимовільність і ступінь протікання окислювально-відновних реакцій

Як було зазначено вище, у гальванічних елементах протікають мимовільні окислювально-відновні реакції. Іншими словами, будь-яка реакція, за допомогою якої в гальванічному елементі одержують позитивну е.р.с., повинна бути мимовільною. Отже, використовуючи потенціали напівреакцій для обчислення е.р.с. зв'язаної з ними повної окислювально-відновної реакції, можна визначити, чи належна ця реакція протікати мимовільно. При цьому варто користуватися таким правилом: позитивна е.р.с. указує на мимовільний процес, у той час як негативна е.р.с. указує на немимовільний процес.


Е.р.с. і зміна вільної енергії

Відомо, що зміна вільної енергії ΔG, яким супроводжується хімічний процес, є мірою мимовільності його протікання. Оскільки е.р.с. електрохімічного елемента, де протікає окислювально-відновна реакція, указує, наскільки вона мимовільна, неважко зрозуміти, що між е.р.с. електрохімічного елемента і зміною вільної енергії реакції, що протікає в ньому, повинно існувати визначене співвідношення.

Таке співвідношення дійсно існує:

ΔG = – nFE (4.1)

У цьому рівнянні Е – е.р.с. електрохімічного елемента, n – число молів електронів, стерпних в окислювально-відновній реакції, a F-постійна, що носить назву число Фарадея (по імені Майкла Фарадея). Число Фарадея являє собою електричний заряд 1 моля електронів, і ця кількість заряду зветься фарадей (Ф):

1Ф = 96 500 Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали = 96 500 Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали (4.2)

У тому випадку, якщо реагенти і продукти знаходяться в стандартних станах, рівняння (4.1) здобуває вид

∆G° = –nFE° (4.3)


Е.р.с. і константа рівноваги

Доведено, що стандартна зміна вільної енергії ∆G° зв'язана з константою рівноваги. До рівнянням (4.4):

∆G° = – 2,30• R• T• lgК

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: