Энергия ионной кристаллической решетки (модельный метод Борна). Уравнение Борна

Электрохимия

Раздел физ. химии, изучающий процессы и явления, происходящие при прохождении электрического тока через вещества с ионной проводимостью (растворы, расплавы, твердые электролиты), контактирующие с электрическими проводниками (металлами, полупроводниками) и между собой.

Разделы электрохимии:

-теория растворов электролитов

-термодинамика электрохимических систем и др.

Электрохимические процессы на практике:

1)получение активных металлов (Al, Na. Ca,..)

2) Гальванотехника – гальваностегия и гальванопластика

3)Эл/хим рафинирование (Cu, Ni..)

4) Коррозия и защита от коррозии

5)Эл/хим синтез окислителей и восстановителей: Cl₂, H₂S₂O₈, KClO₃, KMnO₄…)

6) Электролиз воды, получение тяжелой воды, целочей

7) Химические источники тока (батарейки, аккумуляторы, топливные элементы)

8) Эл/хим синтез органических веществ

9) Фотовольтаическое преобразование солнечной энергии на полупроводников. Электродов.

10) Создание безотходных технологий, безреагентные способы очистки и подготовки воды, методы контроля воздушного и водного бассейнов

Химические и эл/хим реакции

Fe³⁺ + J^– = Fe²⁺ + J₃^–

Химическая реакция:

1) Контакт окислительных и восстановительных частиц

2) Малый путь электрона

3) Хаотичность, не направленность электронных переходов

4) Энергетические эффекты проявляются в виде теплоты

Эл/хим реакция

1) Гетерогенные – протекает на межфазной границе электрод – раствор

2) Перенос зарядов на гетерогранице возможен при достаточном приближении реакгента к электроду

3) Существенная роль строения границы раздела на механизм и кинетику эл/хим реакции

4) Пространственное разделение окислительных и восстановительных процессов

5) Направленность потоков Ox и Red по отношению к электроду

6) Большая часть энергии окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую

Электрохимическая система

Типы эл/хим систем

1) Гальванический элемент (ХИТ-хим источники тока)

(–) Zn|ZnSO₄¦CuSO₄|Cu (+) – элемент Якоби-Даниэля

Система, производящая электрическую энергию за счет протекающей в ней химических превращений называется гальваническим элементом или химическим источником тока (ХИТ).

Схематическое обозначение

2) Электролизер – эл/хим система, в которой химические превращения совершаются за счет внешней электрической энергии

2NaCl + 2H₂O = H₂+ 2NaOH + Cl₂

Анод и катод

-Анод – электрод, на котором идет процесс окисления (с р-ра на электрод)

- Катод – электрод, на котором идет процесс восстановления( с электрода на вещество)

- Анолит – часть электролита, примыкающая к аноду

- Католит – часть электролита, примыкающая к катоду

Законы Фарадея

Ag⁺ + e^– = Ag⁰

1 катион – 1 электрон – 1,602 × 10^-19 Кл

1 моль Ag⁺ - 1 моль электронов – 1,602 × 10^-19 × 6,02 × 10²³ = 96 485 Кл/моль

F = e × N_A = 96485 Кл/моль ≈ 95000 Кл/моль – постоянная Фарадея

96 500 Кл – 107,8 г Ag

Cu²⁺ + 2e^– = Cu⁰

1/2 моль Cu²⁺ - 1 моль электричества – 96 500 Кл

96 500 Кл – 31, 775 Cu

Законы Фарадея:

Me^Z⁺ + Ze^– =Me⁰

1) При постоянном количестве пропущенного через электрод электричества масса продукта пропорциональна его эл/хим эквиваленту

m_i = g_i/Q

2) При этом количестве прошедшего электричества массы прореагировавших веществ относятся между собой как их химические эквиваленты

??????????????????????????????????????????

Выход по току:

Эл/хим системы, в которых весь ток расходуется на одну эл/хим реакцию, используются в качестве кулонометров.

Кулонометры: весовые, объемные, титрационные

Весовые:

1) серебряный (кулонометр Ричардса)

2 серебряных электрода, погруженных в р-р AgNO₃ (Ag|AgNO₃|Ag)

2) Медный (медные электроды в р-ре CuSO₄)

В электролит добавляют H₂SO₄ и C₂H₅OH

Теория электролитов

Фарадей вел: электролит – разлагается на электрические ионы – «странники»

Диссоциация слабых электролитов при высоких напряжениях проходит почти полностью

Экспериментальные факты (для теории Аррениуса)

1) Изменение осмотического давления

2) Изменение давления пара над раствором

3) Криоскопические и эбулиоскопические явления

4) Тепловой эффект реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием

5) Корреляция между каталитическим действием кислот и электропроводностью их растворов

Основные положения:

1) При растворении неорганические и органические вещества спонтанно диссоциируют на ионы (под действием растворителя)

2) Диссоциация частиц на ионы может быть полной и неполной

Ионофоры и ионогены

Вещества, которые содержат ионы в исходном состоянии, называются ионофорами (истинными электролитами) с ионной связью (NaCl, K₂SO₄ и др)

Вещества, которые образуют ионы лишь при растворении, называются ионогенами (потенциальные электролиты).

Недостатки теории Аррениуса

1) Не учитываются эффекты сольватации, эффект ион-дипольного взаимодействия.

2) Игнорирование ион-ионного взаимодействия.

Энергия ионной кристаллической решетки (модельный метод Борна). Уравнение Борна

Энергия ионной кристаллической решетки (ЭИКР) – равна работе, которую необходимо затратить для удаления ионов на бесконечно большое расстояние в вакууме. Впервые расчет ЭИКР был произведен М. Борном

Закон Кулона

ε – диэлектрическая проницаемость среды (для вакуума = 1)

Расчет взаимодействия двух ионов

n – зависит от электронной конфигурации ионов, рассчитывается из данных по сжимаемости кристаллов.

F = F_пр + F_от

F = 0 в положении равновесия

ЭИКР