Проводники первого и второго рода
Ранее, при рассмотрении составных частей электрохимических систем, были использованы такие понятия, как проводники первого и второго рода. Разберем эти понятия поподробнее.
Твердые и жидкие проводники, прохождение через которые электрического тока не вызывает переноса вещества в виде ионов, называются проводниками первого рода. Электрический ток в проводниках первого рода осуществляется потоком электронов (электронная проводимость). К таким проводникам относятся твёрдые и жидкие металлы и некоторые неметаллы (графит, сульфиды цинка и свинца). Их удельное сопротивление лежит в пределах 10 –8 – 10 –5 Омм. Температурный коэффициент проводимости отрицателен, то есть с ростом температуры электропроводность уменьшается.
Вещества, прохождение через которые электрического тока вызывает передвижение вещества в виде ионов (ионная проводимость), называются проводниками второго рода. Типичными проводниками второго рода являются растворы солей, кислот и оснований в воде и некоторых других растворителях (10 –2 10 4 Омм), расплавленные соли (10 –3 10 –1 Омм) и некоторые твёрдые соли (10 1 10 6 Омм). Температурный коэффициент электропроводности положителен. Как правило, в проводниках второго рода электричество переносится положительными (катионы) и отрицательными (анионы) ионами, однако некоторые твёрдые соли характеризуются униполярной проводимостью, то есть переносчиками тока в них являются ионы только одного знака катионы (например, в AgCl) или анионы (BaCl2, ZrO2+CaO, растворы щёлочных металлов в жидком аммиаке).
Деление проводников в зависимости от типа проводимости (электронная или ионная) является условным. Известны твёрдые вещества со смешанной проводимостью, например Ag2S, ZnO, Cu2O и др. В некоторых солях при нагревании наблюдается переход от ионной проводимости к смешанной (CuCl).
Проводники второго рода называются электролитами. Это могут быть чистые вещества или растворы. Часто электролитами называют вещества, растворы которых проводят электрический ток. Эти растворы называют растворами электролитов.
Электрохимические реакции
Электрохимические реакции протекают на границе электрод (проводник первого рода) электролит (проводник второго рода). Они вызваны невозможностью для электронов носителей тока в электродах свободно двигаться в электролите. Эти реакции состоят в обмене электронами между электродом и ионами (молекулами) в растворе, при этом ионы (молекулы) теряют или изменяют свой электрический заряд. Это первичная электрохимическая реакция, продукты которой нередко вступают в дальнейшие реакции, не связанные непосредственно с переносом тока ионами. Примерами катодных реакций могут служить следующие реакции:
Fe 3+ + e Fe 2+ (2)
На аноде могут протекать реакции типа:
Fe 2+ Fe 3+ + e (5)
Материал электрода может участвовать в электрохимической реакции реакция (7), но может быть и инертным (остальные реакции). В последнем случае на поверхности электрода могут выделяться металлы реакция (1) или газы реакции (3, 4, 6). Наконец, электрохимическая реакция может протекать и при отсутствии перехода ионов из раствора к электроду и обратно. В этих случаях перенос электричества осуществляют только электроны, но у поверхности электрода в растворе ионы изменяют свою валентность реакции (2) и (5). Совокупность двух электрохимических реакций, из которых одна протекает на катоде, а другая на аноде, даёт химическую реакцию электролиза или реакцию, протекающую в электрохимическом элементе:
Cu 2+ + 2Cl – Cu(т) + Cl2 (1) + (6)
8. Проводники первого и второго рода
Проводники – вещества, проводящие электрический ток благодаря наличию в них большого количества зарядов, способных свободно перемещаться (в отличие от изоляторов). Они бывают I (первого) и II (второго) рода. Электропроводность проводников I рода не сопровождается химическими процессами, она обусловлена электронами. К проводникам I рода относятся: чистые металлы, т. е. металлы без примесей, сплавы, некоторые соли, оксиды и ряд органических веществ. На электродах, выполненных из проводников I рода, происходит процесс переноса катиона металла в раствор или из раствора на поверхность металла. К проводникам II рода относятся электролиты. В них прохождение тока связано с химическими процессами и обусловлено движением положительных и отрицательных ионов.
Электроды первого рода. В случае металлических электродов первого рода такими ионами будут катионы металла, а в случае металлоидных электродов первого рода – анионы металлоида. Серебряный электрод первого рода Ag + /Ag. Ему отвечает реакция Ag + + e — = Ag и электродный потенциал
EAg + /Ag = Ag + / Ag+b 0 lg a Ag + .
После подстановки численных значений Е 0 и b 0 при 25 o С:
Примером металлоидных электродов первого рода может служить селеновый электрод Se 2– /Se, Se + 2e — = Se 2 ; при 25 o С ESe 2– /Se 0 = –0,92 – 0,03lg a Se 2– .
Электроды второго рода – полуэлементы, состоящие из металла, покрытого слоем труднорастворимого соединения (соли, оксида или гидроксида) и погруженного в раствор, содержащий тот же анион, что и труднорастворимое соединение электродного металла. Схематически электрод второго рода можно представить так: А Z– /MA, M, а протекающую в нем реакцию – МА + ze = М + А Z – . Отсюда уравнением для электродного потенциала будет:
Каломельные электроды – это ртуть, покрытая пастой из каломели, и ртуть, находящаяся в контакте с раствором KCl.
Электродная реакция сводится к восстановлению каломели до металлической ртути и аниона хлора:
Потенциал каломельного электрода обратим по отношению к ионам хлора и определяется их активностью:
При 25 о С потенциал каломельного электрода находят по уравнению:
Ртутно-сульфатные электроды SO4 2 – /Hg2SO4, Hg аналогичны каломельным с той лишь разницей, что ртуть здесь покрыта слоем пасты из Hg и закисного сульфата ртути, а в качестве раствора используется H2SO4. Потенциал ртутно-сульфатного электрода при 25 o С выражается уравнением:
Хлорсеребряный электрод представляет собой систему Cl – /AgCl, Ag, а его потенциалу отвечает уравнение:
ECl – /AgCl, Ag = E 0 Cl – /AgCl, Ag – b lg a Cl–
ECl – /AgCl, Ag = 0,2224 – 0,0592 lg a Cl – .
9. Электроды сравнения
Электроды сравнения – электроды, используемые при измерении электродных потенциалов в паре с используемым электродом. Электродный потенциал – скачок потенциала на границе металл-раствор. Он определяется: природой металла, раствора, концентрацией, температурой. Для сравнения электродных потенциалов нужны стандартные условия: t = 25 °С = 298 К; Р – 1 атм, одномолярный раствор. Абсолютное значение электродного потенциала измерить нельзя. Поэтому измеряют разность потенциалов между данным электродом и электродом сравнения, потенциал которого принимают равным нулю. Часто используют водородный электрод, изготовленный из губчатой платины с сильно развитой поверхностью (платиновая чернь), опускают в раствор H2SO4 – серной кислоты с активностью ионов водорода, равной единице. При этом через раствор пропускается газообразный водород под давлением, который затем адсорбируется платиной. Относительно потенциала водородного электрода все металлы располагают в ряд напряжений, установленный электрически Н. Н. Бекетовым, взаимному вытеснению металлов в зависимости от величины и знака стандартного электродного потенциала. Существуют и другие электроды сравнения: каломельный, хлорсеребряный и другие, в зависимости от различных методов. Конструктивное оформление электрода сравнения разнообразно. Например, для полярографического метода электроды сравнения должны иметь большую поверхность во избежание поляризации их при работе под током.
ЛЕКЦИЯ № 13. Электрохимическая кинетика
8. Проводники первого и второго рода
Проводники – вещества, проводящие электрический ток благодаря наличию в них большого количества зарядов, способных свободно перемещаться (в отличие от изоляторов). Они бывают I (первого) и II (второго) рода. Электропроводность проводников I рода не сопровождается химическими процессами, она обусловлена электронами. К проводникам I рода относятся: чистые металлы, т. е. металлы без примесей, сплавы, некоторые соли, оксиды и ряд органических веществ. На электродах, выполненных из проводников I рода, происходит процесс переноса катиона металла в раствор или из раствора на поверхность металла. К проводникам II рода относятся электролиты. В них прохождение тока связано с химическими процессами и обусловлено движением положительных и отрицательных ионов.
Электроды первого рода. В случае металлических электродов первого рода такими ионами будут катионы металла, а в случае металлоидных электродов первого рода – анионы металлоида. Серебряный электрод первого рода Ag + /Ag. Ему отвечает реакция Ag + + e — = Ag и электродный потенциал
После подстановки численных значений Е 0 и b 0 при 25 o С:
Примером металлоидных электродов первого рода может служить селеновый электрод Se 2– /Se, Se + 2e — = Se 2 ; при 25 o С ESe 2– /Se 0 = –0,92 – 0,03lg a Se 2– .
Электроды второго рода – полуэлементы, состоящие из металла, покрытого слоем труднорастворимого соединения (соли, оксида или гидроксида) и погруженного в раствор, содержащий тот же анион, что и труднорастворимое соединение электродного металла. Схематически электрод второго рода можно представить так: А Z– /MA, M, а протекающую в нем реакцию – МА + ze = М + А Z – . Отсюда уравнением для электродного потенциала будет:
Каломельные электроды – это ртуть, покрытая пастой из каломели, и ртуть, находящаяся в контакте с раствором KCl.
Электродная реакция сводится к восстановлению каломели до металлической ртути и аниона хлора:
Потенциал каломельного электрода обратим по отношению к ионам хлора и определяется их активностью:
При 25 о С потенциал каломельного электрода находят по уравнению:
Ртутно-сульфатные электроды SO4 2 – /Hg2SO4, Hg аналогичны каломельным с той лишь разницей, что ртуть здесь покрыта слоем пасты из Hg и закисного сульфата ртути, а в качестве раствора используется H2SO4. Потенциал ртутно-сульфатного электрода при 25 o С выражается уравнением:
Хлорсеребряный электрод представляет собой систему Cl – /AgCl, Ag, а его потенциалу отвечает уравнение:
ECl – /AgCl, Ag = E 0 Cl – /AgCl, Ag – b lg a Cl–
ECl – /AgCl, Ag = 0,2224 – 0,0592 lg a Cl – .
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
2. Два рода электричества
2. Два рода электричества Производя различные опыты над электричеством, люди выяснили основные его свойства. Прежде всего они открыли, что существует два рода электричества. Одно получается при натирании мехом стекла, драгоценных камней и некоторых других материалов —
5. Проводники и изоляторы
5. Проводники и изоляторы Все вещества, предметы, тела можно разделить на две группы — проводники электричества и электрические изоляторы.Чем отличаются проводники от изоляторов?Чтобы ответить на этот вопрос, сделаем следующий опыт с электроскопом. Возьмём два
Глава первая. ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРВОГО РОДА: ОТ РАННИХ ПОПЫТОК ДО «ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ»
Глава первая. ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРВОГО РОДА: ОТ РАННИХ ПОПЫТОК ДО «ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ» Мартын: Что такое perpetuum mobile? Бертольд: Perpetuum mobile, то есть вечное движение. Если найду вечное движение, то я не вижу границ творчеству человеческому… видишь ли, добрый мой Мартын: делать
Глава вторая. УТВЕРЖДЕНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ И КОНЕЦ ВЕЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПЕРВОГО РОДА
Глава вторая. УТВЕРЖДЕНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ И КОНЕЦ ВЕЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПЕРВОГО РОДА Пора чудес прошла, И мы теперь должны искать причины Всему, что совершается на свете. Шекспир. «Генрих
2.3. Последние вечные двигатели первого рода
2.3. Последние вечные двигатели первого рода Приведем для начала некоторые статистические данные по ppm-1, относящиеся к интересующему нас периоду. Естественно, они носят отрывочный характер, но все же достаточно показательны.По данным Британского патентного бюро за время
Глава пятая. ВЕЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВТОРОГО РОДА
Глава пятая. ВЕЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВТОРОГО РОДА Я не собираюсь критиковать. Я просто не могу понять, как может человек написать такую чепуху? Н. Бор 5.1. Какие ppm-2 изобретают теперь? Различных проектов ppm-2 предлагается очень много, и принципы их действия самые разнообразные:
Глава 3. Химия. Какого рода химические реакции подтолкнули атомы кобразованию первых живых существ?
Глава 3. Химия. Какого рода химические реакции подтолкнули атомы кобразованию первых живых существ? Сущий вздор — рассуждать сейчас о происхождении жизни; с тем же успехом можно было бы рассуждать о происхождении материи.Из письма Ч. Дарвина Дж. Д. Хукеру 29 марта
Проводники электрического тока
Проводниками электрического тока могут быть совсем разные вещества. Например, и кусок металлической проволоки, и морская вода являются электропроводниками. Но электроток в них различен по своей природе. Поэтому они разделены на две группы:
- первого рода с проводимостью, основанной на электронах;
- второго рода с проводимостью, основанной на ионах.
Электропроводники первого рода это все металлы и углерод. Представителями второго рода являются кислоты, щёлочи, растворы и расплавы солей, которые называют «электролитами».
- Ток в проводниках течёт при любых значениях напряжения и прямо пропорционален величине напряжения.
Наилучшими электропроводниками при обычных условиях являются серебро, золото, медь и алюминий. Медь и алюминий наиболее широко используются для изготовления различных проводов и кабелей из-за более низкой цены. Хорошим жидким проводником первого рода является ртуть. Хорошо проводит электрический ток и углерод. Но из-за отсутствия гибкости его применение невозможно. Однако созданная относительно недавно форма углерода графен позволяет изготавливать нити и шнуры из нитей.
Но графеновые шнуры имеют сопротивление, которое для токопроводов является недопустимо большим. Поэтому их используют в электронагревателях. В этом качестве графеновый шнур превосходит металлические проволочные аналоги на основе сплава никеля и хрома, поскольку может обеспечить более высокую температуру. Аналогичным образом используются проволочные электропроводники из вольфрама. Из них изготовлены спирали ламп накаливания и электроды газоразрядных ламп. Вольфрам является самым тугоплавким электропроводником.
Процессы в проводниках
Электрический ток, протекающий в проводнике, оказывает на него определённые воздействия. В любом случае происходит увеличение температуры. Но возможны также и химические реакции, которые приводят к изменению физических и химических свойств. Наибольшим изменениям подвержены электропроводники второго рода. Электрический ток в них вызывает электрохимическую реакцию, называемую электролизом.
В результате ионы проводника второго рода получают вблизи электрических полюсов необходимые заряды и восстанавливаются до состояния, которое было до появления кислоты, щёлочи или соли. Электролиз широко используется для получения многих чистых химических веществ из природного сырья. Способом электролиза расплавов получают чистый алюминий и некоторые другие металлы.
Проводники первого и второго рода могут не только проводить электрический ток при подаче на них внешнего напряжения. При взаимодействии, например свинца с кислотой, то есть проводника первого рода с проводником второго рода, возникает электрохимическая реакция, обеспечивающая выделение электрической энергии. На этом основано устройство аккумуляторов.
Электропроводники первого рода также могут изменяться при контакте друг с другом. Например, контакт медного и алюминиевого проводника является плохим решением без специального покрытия его. Влажности воздуха оказывается достаточно для разрушения в месте контакта электрохимической реакцией. Поэтому рекомендуется защищать подобные соединения лаком или аналогичными веществами.
У некоторых проводников первого рода при значительном охлаждении возникает особое состояние, пребывая в котором они не оказывают электрическому току сопротивление. Это явление называется сверхпроводимостью. Классическая сверхпроводимость соответствует значению температуры, близкой к состоянию жидкого гелия. Однако по мере выполнения исследований обнаружились новые сверхпроводники с более высокими значениями температуры.
- Экономически оправданное использование сверхпроводимости является одной из приоритетных целей современной энергетики.
Электрический ток может течь не только в проводниках первого и второго рода. Есть ещё полупроводники и газы, которые так же проводят электроток. Но это уже совсем другая история…