Общая характеристика электрохимических процессов

Если через электрохимическую цепь протекает электрический ток I, то напряжение на концах цепи Е_I не равно ее ЭДС, т. е. Е_I ≠ Е_I=0. Причем если цепь работает как источник тока, который расходует свою энергию на внешней нагрузке, то Е_I < Е_I=0, а если цепь работает как электролизер, т. е. использует подаваемую извне электрическую энергию для химических превращений веществ, то Е_I > Е_I=0.

Реализуемая мощность источника тока IЕ_I оказывается меньше его теоретической максимальной мощности IЕ_I=0; расходуемая при проведении электролиза мощность IЕ_I больше теоретически необходимой IE_I=0. Таким образом, КПД при работе электрохимических систем меньше 100 %.

Абсолютная разность Е_I – E_I=0 складывается:

- из омического падения напряжения внутри электрохимической ячейки (между катодом и анодом) Е_ом =IR_цепи (R_цепи - внутреннее сопротивление цепи);

- из поляризаций катода ΔЕ_К и анода ΔЕ_А.

Общая характеристика электрохимических процессов

Любой электродный процесс всегда имеет ряд последовательных стадий: сначала реагирующее вещество подходит к электроду, затем произойдет собственно электрохимическая стадия, связанная с переносом электронов или ионов через границу раздела фаз (стадия разряда - ионизации), и, наконец, образовавшиеся продукты реакции должны отойти от поверхности электрода, чтобы освободить место для новой порции реагирующего вещества.

Механизмы образования растворов электролитов

Термин «электролитическая диссоциация» подразумевает образование ионов в растворе при распаде нейтральных молекул растворяемого вещества.

Однако часто ионы существуют уже до растворения. Так, например, твердый хлорид натрия представляет собой кристалл, построенный из ионов Nа⁺ и Сl^-.

В ряде случаев раствор электролита действительно получается при растворении вещества, состоящего из нейтральных молекул. Так, например, при растворении в воде газообразного хлористого водорода получается раствор сильного электролита - соляной кислоты.

Классификация электрохимических цепей

Электрохимические цепи обычно классифицируют по двум признакам:

1) по источнику электрической энергии;

2) по наличию или отсутствию в цепи границы двух различных растворов: соответственно цепи с переносом и без переноса.

В физических цепях источником электрической энергии служит различие в физическом состоянии двух одинаковых по своему химическому составу электродов.

Аллотропические цепи - это цепи в которых менее устойчивое состояние одного электрода обусловлено тем, что он изготовлен из метастабильной модификации данного металла.

Гравитационная цепь состоит из двух ртутных электродов в растворе. В результате этих двух электродных процессов происходит перенос металлической ртути из левой части в правую, который направлен на выравнивание их уровней.

В концентрационных цепях оба электрода идентичны как по физическому состоянию, так и по химической природе участников окислительно-восстановительных процессов.

Различают концентрационные цепи без переноса, т. е. без границы двух растворов, и с переносом, когда имеется такая граница.

Биологические мембраны и биоэлектрохимия

В основе транспорта веществ через мембраны лежат электрохимические закономерности. Этот пример указывает на важность электрохимического подхода к исследованию биологических объектов.

Полупроницаемые мембраны и, следовательно, мембранные явления чрезвычайно распространены в живой природе. Так, клеточные или плазменные мембраны отделяют внутреннюю часть любой живой клетки от окружающей среды. Составы растворов внутри и снаружи клеток различны, а сами мембраны обладают избирательной проницаемостью.

Электролиз

Электролиз (от электро... и греч. lysis - разложение, растворение, распад), совокупность процессов электрохимического окисления-восстановления на погруженных в электролит электродах при прохождении через него электрического тока.

Особенность электролиза - пространственное разделение процессов окисления и восстановления: электрохимическое окисление происходит на аноде, восстановление - на катоде. Электролиз осуществляется в специальных аппаратах - электролизёрах.

Электрохимическая реакция получения того или иного вещества (в атомарном, молекулярном или ионном состоянии) связана с переносом от электрода в электролит (или обратно) одного или нескольких зарядов в соответствии с уравнением химической реакции.

Скорости электродных реакций зависят от состава и концентрации электролита, от материала электрода, электродного потенциала, температуры и ряда других факторов. Скорость каждой электродной реакции определяется скоростью переноса электрических зарядов через единицу поверхности электрода в единицу времени; мерой скорости, следовательно, служит плотность тока.

Преимущества электролиза перед химическими методами получения целевых продуктов заключаются в возможности сравнительно просто (регулируя ток) управлять скоростью и селективной направленностью реакций.

Электролиз - основной метод промышленного производства алюминия, хлора и едкого натра, важнейший способ получения фтора, щелочных и щелочноземельных металлов, эффективный метод рафинирования металлов. Путём электролиза воды производят водород и кислород.