Естественно-научные основывысоких технологийЛекция 5. Химические основы высоких технологий

ЭЛЕКТРОХИМИЯ
Электрохимией называется раздел физичес-
кой химии, посвященный изучению связей
между химическими и электрическими
явлениями.

ПЛАСТИНКА МЕТАЛЛА В РАСТВОРЕ ЕГО СОЛИ

ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙ

СТРОЕНИЕ ДВОЙНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СЛОЯ
Плотная часть двойного электрического слоя
Примыкает к металлу, состоит из молекул воды,
диполи которой ориентированы в сторону метал-
лического электрода. Здесь же располагаются
и адсорбированные на металле ионы.
Диффузная часть двойного электрического слоя
Представлена гидратированными ионами, которые
не могут близко подойти к поверхности металла.
При больших концентрациях электролита число
адсорбированных ионов возрастает и диффузная
часть слоя сжимается, при очень низких расширя-
ется.

ЭЛЕКТРОДНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ
Разность электрических потенциалов, возника- ющую между металлом и окружающим его раствором, называют электродным потенциалом
Электродный потенциал зависит от:
1. Природы металла (он различен, например, у меди и железа);
2. Концентрации ионов металла в растворе
3. Температуры

ИЗМЕРЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ
1.Стандартные условия
1. Концентрация ионов металла в растворе 1 моль/л;
2. Давление 101325 Па;
3. Температура 250 С (298,15 К)
2. Измеряется по отношению
к “стандартному водородному электроду”.

СТАНДАРТНЫЙ ВОДОРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОД

Измерение электродного потенциала

Ряд напряжений металлов
Li, Са, Zn, Cr, Fe, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Au

Уравнение Нернста (1889 г.)
φ – потенциал электрода, В;
φ0 – стандартный электродный потенциал, В;
Т – температура по шкале Кельвина, K;
n – число переданных электронов;
F – постоянная Фарадея, 96500 Кл/моль ед. заряд.;
[Ox] – концентрация окисленной формы вещества, моль/л ;
[Red] – концентрация восстановленной формы вещества, моль/л.

Уравнение Нернста
Если [Ox] = [Red] =1 моль/л, то:
При стандартной температуре 298K (25C) и подстановке значений R и F уравнение принимает вид:

Электроды
Электродом в электрохимии называют такую
систему, в которой токопроводящее вещество
помещено в раствор или расплав электролита либо
в газ.
В качестве токопроводящего материала может
быть использован твердый или жидкий металл,
различные соединения (оксиды, карбиды и др.),
неметаллические материалы (уголь, графит и др.),
полупроводники.

Электроды 1-го рода
Электродом 1-го рода называют металличес-
кий электрод, помещенный в раствор его соли.
Меz+ + z ē ↔Ме0
(где Me-какой-либо металл, z-заряд ионов этого металла), а также системы с амальгамными электродами (амальгама - раствор металла в ртути).

Электроды 1-го рода
Пример 1: медная пластинка в растворе
сульфата меди (II).
На пластинке возможны два процесса, между
которыми устанавливается равновесие:
1. Переход атомов меди с поверхности металла в раствор (процесс окисления):
Сu0 - 2ē→Сu 2+
2. Восстановление ионов металла на поверхности пластинки: Сu 2+ + 2ē→ Сu0
Пример 2: амальгама цинка-ионы цинка:
Zn2+ + 2 ē ↔ Zn(Hg)

Электроды 2-го рода
Металл с нанесенным на поверхность слоем его труднорастворимой соли или оксида и помещенный в раствор, содержащий ионы этой соли (для оксида-ионы ОН-).
Пример: серебро, покрытое пленкой хлорида серебра AgCl и помещенное в раствор хлорида калия (хлорсеребряный электрод).
В такой системе устанавливается равновесие:
AgCl + ē ↔ Ag + Cl-

ИНЕРТНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ
Платина в растворе хлорида железа (III)
Некоторые материалы (платина, графит) называются инертными, так как не могут посылать свои ионы в раствор.
Такие материалы используют для создания окисли- тельно-восстановительных или редокс-электродов. Например, платиновая пластинка, погруженная в раствор, содержащий сульфат железа (II) и сульфат железа (III). На таком электроде устанавливается равновесие: Fe3+ + ē ↔ Fe2+

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
устройства, в которых энергия окислительно-восстановительных реакций преобразуется в электрическую энергию.
Элемент Даниеля-Якоби
Zn2+ + 2e = Zn; φ01 = - 0,76 В;
Сu 2+ + 2е = Сu; φ02 = + 0,34 В.
В восстановительном направлении пойдет тот процесс, для которого больше электродный потенциал

Элемент Даниэля-Якоби

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ (ЭДС)
Катод (восстановление): Сu2+ + 2е = Сu
Анод (окисление): Zn - 2ē = Zn2+
Для вычисления ЭДС из большего значения электродного потенциала (катод) следует вычесть меньшее (анод)
ЭДС = 0,34 В – (- 0,76 В) = 1,10 В
Положительное значение ЭДС – критерий самопроизвольности процесса.

Литиевые батарейки
Платина в растворе хлорида железа (III)
Источники тока на базе системы:
литий/диоксид марганца (Li/MnO2 )
Элементы Li/MnO2 с твердым катодом из диоксида марганца и анодом из лития. Электролит – раствор перхлората лития (LiClO4) в органическом растворителе.
Анод: Li – ē →Li+
Катод: Mn4++ ē → Mn3+
Суммарная реакция при разряде батарейки:
2Li + 2MnO2 → Mn2O3 + Li2О
ЭДС элемента Li/MnO2 - 3,5В.

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
(используются в мобильных телефонах и ноутбуках)
Платина в растворе хлорида железа (III)
Анод: - углеродная матрица слоистой структуры. Ионы лития внедряются между слоями углерода и располагаются между ними, образуя интеркалаты разнообразных структур.
Катод: соединения оксидов кобальта или никеля с литием (литиевые шпинели).

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Платина в растворе хлорида железа (III)
При зарядке :
Анод (положительный электрод):
LiNiO2- xē → Li 1-xNiO2 + xLi+
Катод (отрицательный электрод):
С + xLi+ + xē → CLix
При разрядке :
Анод (положительный электрод):
Li1-xNiO2 + xLi+ + xē → LiNiO2
Катод (отрицательный электрод):
CLix - xē → С + xLi+

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Платина в растворе хлорида железа (III)
Используются в мобильных телефонах и ноутбуках
Имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение - 3,5-3,7 В.

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Платина в растворе хлорида железа (III)

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ИОНООБМЕННОЙЬ МЕМБРАНОЙ
Платина в растворе хлорида железа (III)
Технология изготовления элементов данного типа была разработана в 50-х годах XX века инженерами компании General Electric. Подобные топливные элементы использовались для получения электроэнергии на американском космическом корабле Gemini.
Отличительной особенностью PEM-элементов является применение графитовых электродов и твердополимерного электролита (или, как его еще называют, ионообменной мембраны — Proton Exchange Membrane).
A: 2H2- 4 ē → 4H+
K: O2+ 4H+ + 4ē →2H2O

ТЕМЫ КОРОТКИХ СООБЩЕНИЙ
Платина в растворе хлорида железа (III)
Стеклянный электрод: принцип действия и сферы использования;
Хлорсеребряный электрод: принцип действия и сферы использования;
3. Водородно-кислородный топливный элемент: принцип действия и сферы использования;
4. Переменнотоковый гальванический элемент: принцип действия и сферы использования.