А.И. Левин - Теоретические основы электрохимии (1134479), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Весьма болыпое значение для развития электрохимической кинетики приобрело применение новых экспериментальных методов изучения электрохимических процессов и установления достаточно объективных теоретических предпосылок для определения физической сущности изучаемых технологических процессов.
Благодаря развитию теоретической электрохимии и большому числу экспериментальных исследований в СССР созданы крупнейшие электрохимические предприятия и отдельные производства. Техническая электрохимия в применении к цветной металлургии в Советском Союзе развивалась самостоятельными путями с использованием достижений передовой советской науки. Опыт работы многих заводов по производству и электрорафинированию цветных металлов свидетельствует о том, что основные технологические показатели у нас в стране в большинстве случаев превосходят зарубежные. Это преимущество обусловлено коренными отличиями социалистической системы хозяйства от капиталистической,,позволившими устранить различные препятствия на пути технического прогресса. По решению Коммунистической партии и Советского правительства у нас сооружаются новые сверхмощные гидро- и теплоэлектростанции. Осуществление сплошной электрификации страны и создание единой энергосистемы сильна снижают стоимость электроэнергии, позволяют еще больше использовать дешевую электроэнергию в электрохимической и электрометаллургической промышленности, Задача исследователей и технологов, таким образом, состоит в том, чтобы всемерно совершенствовать методы электролитических производств на основе всестороннего и глубокого теоретического изучения ~и обоснования электрохимических процессов.
В течение последних десятилетий курсы теоретической электрохимии в достаточно большом объеме преподаются не только Введение в химико-технологических институтах, но и в институтах цветных металлов, горнометаллургичеоких„ на технологических и физико-технических факультетах ряда высших учебных заведений. Чтобы общие закономерности электрохимии были поняты и достаточно хорошо усвоены, в лособии дается приближенное к действительности рассмотрение их прикладного значения.
В учебном пособии специально рассматриваются физико-химические методы анализа (кулонометрический, кондуктометрический, полярографический, амперометрический и др.), где электрохимические закономерности используются достаточно широко. Не меньше используются теоретические основы электрохимии при рассмотрении особенностей электроосаждения металлов в компактной и порошкообразной форме (в гидрометаллургии и гальванотехнике) и т. д. Работа студентов в области электрохимической теории не заканчивается непосредственным усвоением теоретических основ электрохимии.
Наоборот, эта работа вступает далее, при изучении прикладной электрохимии и специальных курсов, в фазу последующей конкретизации, углубления и дальнейшего совершенствования. Круг вопросов, рассматриваемых в книге, ограничен областью водных растворов электролитов, так как другие области и, в частности, электрохимия расплавленных сред уже давно выделились в самостоятельные дисциплины. Глава Т ПРЕДМЕТ И СОДЕРЖАНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИИ й 1.
Организация электрохнмического процесса Химическая реакция обычно сопровождается выделением или поглощением энергии. Представим себе одну из таких реакций в общем виде: т А + чэАз+ т Аз+... ~~ ~'А' +~'А' + ч'А' +ф. (1,Ц' Если это не гетерогенный процесс, то условием протекания подобной реакции является взаимодействие реагирующих частиц (молекул, атомов, ионов), которое происходит в любой точке раствора. При этом электроны проходят путь, длина которого не превышает, радиуса атома или молекульь Место встречи и направление электронных переходов ориентированы в пространстве любым образом. Из сказанного следует, что такой процесс идет беслорядочно, неорганизованно в гомогенной системе, свойства которой во всех частях либо одинаковы, либэ непрерывно меняются от одной точки раствора к другой.
Такая система, помимо отсутствия поверхности раздела фаз твердое тело в раствор, характеризуется тем, что энергетические изменения в ней чаще всего сопровождаются выделением или поглощением тепла (тепловой эффект реакции). Примером подобного процесса может служить экзотермическая реакция восстановления трехвалентного железа при введении в раствор йодистого калия: Гев (ЯО4)з + 2К) - 2ГеЗОх Г К2БОа +,)в + Я. (1,21 Так как реагирующие вещества в растворе находятся в виде конов, то уравнение (1, 2) может быть переписано следующим образом: 2Ге'++ 2,1 — -2Ге'++,), + Я. Задача электрохимического метода — так организовать протекание химической реакции, чтобы следствием, процесса явилось выделение или поглощение электрической энергии. Для этого: 1О Теоретические основы электрохимии что приведет к образованию новых химических веществ — газообразного водорода и хлора: Н+-1-С1 — — Н + — С1~; 2 2 (1,4) 1) не допускают непосредственного взаимодействия реагирующих веществ; 2) расчленяют единый процесс на два электродных акта: я) с отдачей электронов ионами Х- и б) с получением электронов ионами М+; 3) создают пространственную направленность электронных переходов; 4) увеличивают пути электронных переходов до макроскопических размеров.
Таким образом, в отличие от протекания химических реакций, где основным условием является наиболее тесное соприкосновение реагирующих веществ в одной фазе (в растворе, расплаве и т. п.), йри проведении электрохимического процесса необходимо разделение реагентов и образование гетерогенной системы, в которой переход электронов от одной группы атомов к другой осуществлялся бы через особые каналы (металлические проводники — электроды).
Развитая поверхность электродов как бы увеличивает вероятность взаимодействия электронов с определенными группами атомов или ионов. При осуществлении электрохимического процесса понятие системы включает не одну, а, по крайней мере, две или несколько соприкасающихся между собой фаз, которые разделены четкими поверхностями, при этом реагирующий компонент под влиянием тока существенно меняет свои свойства (например, при электроосаждении или ионизации металлов) либо образует совершенно новую фазу, отличную от исходных (выделение газообразных веществ на металличеоких электродах).
Процесс восстановления или окисления веществ на электродах, сопровождаемый приобретением или потерей электронов частицами вещества в результате электрохимической реакции, называется элекгролиэом. Для электролиза необходима система, которая состоит из следующих элементов: 1) раствора электролита — проводника второго рода, в котором реагирующие вещества диссоциированы на ионы, например Н+ и С1-; 2) двух проводников первого рода, погруженных в раствор электролита, так называемых электродов, В этом случае при соответствующем направлении тока на границах фаз электрод— электролит будут идти процессы: Н+ + е — — Н; С1- — е — С1„ 1 1 (1,3) 2 2 3) проводника нврвото рода, сондпняющего электроды между собой либо с внвптним источником тока.
Электрод,.на котором идет процесс приобретения электронов частицами вещества, носит название катода. Электрод, с которого электроны переходят во внешнюю .цепь, называется анодом. По предложению М. Фарадея (1833 г.), положительно заряженные атомы (Н+, Сиз+, Ре~+ и др.) получили название катионов, отрицательно заряженные (С1, ОН, ЯОа н т. п.) — анионов, При пропускании постоянного электрического тока частицы, несущие заряд, направляются к соответствующим электродам: анионы к аноду; катионы к катоду, Здесь вследствие взаимодействия ионов с электронами (с отдачей или приобретением электронов) вещество либо выделяется в виде нейтральных атомов или молекул, либо перезаряжается.
В основе всякого электролиза, следовательно, лежит разделение единого процесса на два элементарных электрохимических электродных акта, .представляющих собой реакции электрона с ионом или нейтральной молекулой. Осуществление такого течения реакции, при котором система и среда обмениваются электричеокой энергией, мы и будем называть организацией злек-- трохимического процесса. При этом, если суммарная реакция протекает с выделением электрической энергии, система носит название гальванического элемента; если же процесс сопровождается поглощением энергии, систему называют электролитной ванной или электролизером (этн же названия сохраняются и для ячеек, в которых осуществляется соответствующий электро- химический процесс).
Примерами злектрохимических систем могут служить следующие: 1. Раствор ХпБО~ с цинковым электродом и отделенный от него пористой диафрагмой раствор Сп304 с медным электродом: Хп ~ Хп$0 1 Сп504 1 Сп. В этом случае на медном электроде (положительный полюс) протекает процесс Спз++ 2е — ~ Сп, в на цинковом (отрицательный полюс).' Уп — 2е Уп~+ В данном примере суммарная реакция идет с выделением электроэнергии, т. е. мы имеем дело с гальваническим элементом. 2.
Раствор нитрата серебра с погруженными в него двумя сеРебряными электродами (катод — чистое серебро, анод — серебро, содержащее примеси): Ад+~Ай)10,(-Аа. Теоретические основи ееектрокииии В этом случае на катоде идет процесс выделения чистого серебра: Ая++ е Ая, а на аноде, кроме ионизации серебра Ая — е- Аа+, образуются примеси, накапливающиеся в электролите либо по- падающие в шлам. Приведенная система представляет собой электрохимиче- скую ячейку, работающую с поглощением электроэнергии В данном примере мы имеем дело с электролитной ванной для рафинирования (очистки) серебра. 3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
