Электрохимия

1. Электрохимия

2. Металлы

3.

4.

5. Металлическая связь 金属键

6. Поверхность металла под электронным микроскопом

电子显微镜

7. Поверхность металла в контакте с электролитом

8. Двойной электрический слой 双电层

+
n+ Н20
Ме
+
+
Ме
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Равновесие
Men+(H2O)x + nē Me0 + xH2O
+
+
+
+
-электродный потенциал
电极电位
Электродный потенциал, разность электростатических
потенциалов между электродом и электролитом.

9.

伽凡尼電池
Окислительно-восстановительная реакция
Zn0 + Cu2+ Zn 2+ + Cu0
Zn0 - 2ē Zn 2+– окисление восстановителя
Cu2+ + 2ē Cu0 – восстановление окислителя

10.

Полуреакции разделены в пространстве протекает электрический ток
正極
А--(-)
3
4
К (+) 負極
электроны
1
2
1
5
ионы
2
1- электроды
окисление - анод
восстановление - катод
2- электролиты
3 - внешняя цепь
4 – вольтметр
Zn|ZnSO4||CuSO4|Cu
Zn|Zn+2||Cu+2|Cu
5 – электролитический ключ

11. Водородный электрод

2H+ H20,Pt
Pt
2H+ + 2ē H2
H+
H2
Стандартный водородный электрод
при CH+ = 1 моль/л; Т0 = 298 К;
Р0=1.013 105 Па
0
2H
0, В
/H
2

12.

А( )Me0|Men+||2H+|H20,Pt(+)К
Е
0
2H / H2
0
А( )H20,Pt |2H+||Men+|Me0(+)К
0
2H
0
/H
2
0 = Е
Е 0 20H / H
2

13. Водородная шкала электродных потенциалов

если
CH+ = 1 моль/л; Т0 = 298 К; Р0=1.013 105 Па; I = 0, А
CМе+ = 1 моль/л
Стандартные электродные потенциалы
Электрод
Na+ Na0
Al3+ Al0
Zn2+ Zn0
Fe2+ Fe0
Pb2+ Pb0
2H+ H20,Pt
Cu2+ Cu0
OH- O2,Pt
NO3-,NO2,H+ Pt
标准电极电势
Электродная реакция
Na+ + ē Na 0
Al3+ + 3ē Al0
Zn2+ + 2ē Zn0
Fe2+ + 2ē Fe0
Pb2+ + 2ē Pb0
2H+ + 2ē H2
Cu2+ + 2ē Cu0
О2 + 2H2O + 4ē 4OHpH 7
NO3- + 2H+ + ē NO2 + H2O
0, В
-2.71
-1.67
-0.76
-0.44
-0.13
0.00
+0.34
+0.40
+0.80

14. Электродвижущая сила ЭДС гальванического элемента

Электродвижущая сила
電動勢
ЭДС
гальванического элемента
к > а
E = к – а > 0
ЭДС
А ( ): Me1 (Men+)1 + nē
К (+): (Men+)2 + nē Me2

15. Электродный потенциал

k CMe n k СH 2O
Men+(H2O)x+nē Me0 + xH2O
v k СMen
v v
v k С H 2O
k k0 e
E E0 Eaq
Ea
R T
E E0 ( EM n F )
E
Me0
E0 ( EM n F )
E0 Eaq
R T
С H 2O
k0 e R T СMen k0 e
Электролит
k0 k0
E0
СН2О - const
R T
lnC Me n
n F
уравнение Нернста
0
EМе
n·F·
Men+(H2O)x
Eaq
x
0
Eaq EMe Стандартный
n F
электродный потенциал

16. Уравнение Нернста

R T
lnC Me n
n F
уравнение Нернста
0
φ — электродный потенциал,
φ°— стандартный электродный
потенциал;
R — универсальная газовая
постоянная, равная 8.31 Дж/(моль·K);
T — абсолютная температура, К;
0.059
lgC Me n
2
0
F — постоянная Фарадея, 96485,35
Кл·моль−1;
n — число электронов, участвующих
в процессе;

17. Химический гальванический элемент (гальванопара)

Zn|Zn2+||Cu2+|Cu
С Zn 2 = 0.01 моль/л
С = 0.1 моль/л
Cu
2
0.059
lg0.01 0.82 В
2
Zn|Zn2+
-0.76
Cu2+|Cu
0.34
0.059
lg0.1 0.31 В
2
К > А +0.31 В > 0.82В
Анод ( )
А
Катод (+)
А( ) Zn0 Zn2++2ē
К(+) Cu2++2ē Cu0
Zn
Zn+2 + SO4-2
Cu
Cu+2 + SO4-2
ЭДС:
E = К– А = (+0.31) – ( 0.82) = 1.13 В

18. Концентрационный гальванический элемент

19. Химические источники тока (ХИТ)

Активные
материалы (АМ)
первичные
гальванические элементы
(ХИТ одноразового
действия)
Химические источники тока
(ХИТ)
аккумуляторы
(ХИТ многократного
действия)
топливные
элементы
Разряд
АМ
продукты
АМ
продукты
Заряд
АМ
продукты
АМ – вне ГЭ

20. Примеры ХИТ

Источник тока
Электрохимическая система
U,
В
C
Вт ч/кг
N,
Вт/кг
Гальванические элементы
Тхр
годы
Марганцевоцинковые солевые
Марганцевоцинковые щелочные
Литиевые неводные
Свинцовые
кислотные
Никель–кадмиевые
Никель–
металлгидридный
Zn|NH4C1,ZnCl2|MnO2(С)
1,4-1,6
20-60
20
1-3
Zn|КОН|MnO2(С)
1,4-1,6
60-100
20
2-3
Li|SOC12,LiAlCl4|(С)
Аккумуляторы
2,6-3,2
300-450
50
3-5
Рb|H2SO4|PbO2,Рb
1,8-2,0
25-40
100
Cd|KOH|NiOOH,Ni
МеН|KOH|NiOOH,Ni
1,2-1,3
1.2–1.3
25-35
40 – 70
100
-
Число
циклов
Топливные элементы
Водороднокислородные
(C,Ме)H2|КОН| O2(Ме,C)
3001000
2000
500
Ресурс,
ч
0,8-0,9
-
30-60
10005000

21.

Анод:
Zn → Zn 2+ + 2e−
Катод:
2MnO2 + 2H+ + 2e− → 2MnO (OH)
Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → 2MnO (OH) + [Zn
(NH3)2]Cl2

22.

23.

2 H2
→ 4 H+ + 4 e−
Протоннообменная
мембрана
O2 + 4 H+ + 4 e− →
2 H2O

24.

Анод: Zn + 2OH− → Zn(OH)2 + 2e−
Zn(OH)2 → ZnO + H2O]:
Катод: 2MnO2 + H2O + 2e− → Mn2O3 + 2OH−
Zn + 2KOH + 2MnO2 + 2e− → 2e− + ZnO + 2KOH +
Mn2O3

25. Основные характеристиками ХИТ

• ЭДС гальванического элемента (Е, В)
(НРЦ)
• Номинальное напряжение (U, В)
• Номинальная емкость (C) - ампер-час А ч (Вт ч/кг)
• Удельная мощность (N, Вт/кг)
•Срок хранения (Тхр)
•Число циклов разряд-заряд;
ТЭ - ресурс работы;

26. Электрохимическая (гальваническая) коррозия 伽凡尼腐蝕

φА
Анод
正極
Ме
<
φК
Катод
負極
ē
Меn+
Red
H2O + О2 + H+ + An–
•короткозамкнутый гальванический элемент
окисления (Me0 Men+ + nē) - анод
восстановления (Red + nē ...) - катод
•контакт металла
с электролитом
(водные
растворы)

27.

Анод
Zn0 - 2ē Zn 2+
Электрод
Na+ Na0
Al3+ Al0
Zn2+ Zn0
Fe2+ Fe0
Pb2+ Pb0
2H+ H20,Pt
Cu2+ Cu0
OH- O2,Pt
NO3-,NO2,H+ Pt
Электродная реакция
Na+ + ē Na 0
Al3+ + 3ē Al0
Zn2+ + 2ē Zn0
Fe2+ + 2ē Fe0
Pb2+ + 2ē Pb0
2H+ + 2ē H2
Cu2+ + 2ē Cu0
О2 + 2H2O + 4ē 4OHpH 7
+
NO3 + 2H + ē NO2 + H2O
0, В
-2.71
-1.67
-0.76
-0.44
-0.13
0.00
+0.34
+0.40
+0.80

28. Реакции восстановления

деполяризация катода
электролит: H2O + О2 + H+ + An–
Водородная деполяризация
2H+ + 2ē H2
pH 7
2H2O + 2ē H2 + 2OH- pH 7
Кислородная деполяризация
О2 + 4H+ + 4ē 2H2O pH 7
О2 + 2H2O + 4ē 4OH- pH 7

29. Электролиз

电解

30.

31. Электролиз Катодные процессы в растворах

Порядок восстановления катионов на катоде - 1 > 2 >... > n
Ме > 0
1)
Cu+2
Ме1+n + nē Ме10
2)
~ -1 В< Ме < 0
Zn+2
2H2O+ 2ē H2+2OH-
Ме2+n + nē Ме20
3)
Ме < ~ -1
2H2O+ 2ē H2+2OH-
Al+3

32. Электролиз растворов Анодные процессы

Порядок окисления анионов на аноде - 1 < 2 <... < n
1) пассивный анод (С, Pt)
- SO42-, NO3-, PO43- …
2H2O О2 + 4H+ + 4ē
- Cl-, Br-, I2Cl- 2ē + Cl2
2) активный(растворимый) анод (Me)
МеА0 МеА+n + nē

33.

34. Электродная поляризация - 

Электродная поляризация -
диффузионное
перенапряжение
электрохимическое
перенапряжение
Стадии электрохимического процесса:
1) подвод реагирующих частиц
из объема электролита к поверхности электрода;
2) собственно электрохимическая реакция на электродах;
3) отвод продуктов реакции от электрода.
Анод
>0
I = + (i)
Катод
<0
I = - (i)
= I
фазовые
превращения

35. Поляризация электрохимической системы

Гальванический элемент
Электролизер
а
к
к
iГЭ
iЭл
Ui
iЭл
0
а
Е
Ui
а
imaxiГЭ
к
Катод (–) Zn2++2ē Zn0
Анод (+) Cu0 Cu2++2ē
Анод (–) Zn0 Zn2++2ē
Катод (+) Cu2++2ē Cu0

36. Нанесение покрытий электролизом

AgNO3
A: Ag – 1e = Ag +
K: Ag+ + 1e = Ag

37.

Получение алюминия,
щелочных металлов и др.

38.

39. Очистка (рафинирование) меди

1 – неочищенная медь
2 – с очищенной медью
3 – раствор электролита
4 – шлам (благородные металлы)

40.

41. Законы Фарадея

n
где:
•m — масса осаждённого на электроде вещества в
граммах
•Q — полный электрический заряд, прошедший через
вещество Кл
•F = 96 500 Кл·мль−1 — постоянная Фарадея
•M — молярная масса вещества, г
•n — число электронов .
•t — время, с