Электролиз | CHEMEGE.RU

 

  Химические реакции, сопровождающиеся переносом электронов (окислительно-восстановительные реакции) делятся на два типа: реакции, протекающие самопроизвольно и реакции, протекающие при прохождении тока через раствор или расплав электролита.

 

  Раствор или расплав электролита помещают в специальную емкость — электролитическую ванну.

  Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц — ионов, электронов и др. под действием внешнего электрического поля. Электрическое поле в растворе или расплаве электролита создают электроды.

  Электроды — это, как правило, стержни из материала, проводящего электрический ток. Их помещают в раствор или расплав электролита, и подключают к электрической цепи с источником питания.

  При этом отрицательно заряженный электрод

катод — притягивает положительно заряженные ионы — катионы. Положительно заряженный электрод (анод) притягивает отрицательно заряженные частицы (анионы). Катод выступает в качестве восстановителя, а анод — в качестве окислителя.

 

Различают электролиз с активными и инертными электродами. Активные (растворимые) электроды подвергаются химическим превращениям в процессе электролиза. Обычно их изготавливают из меди, никеля и других металлов. Инертные (нерастворимые) электроды химическим превращениям не подвергаются. Их изготавливают из неактивных металлов, например, платины

, или графита.

 

Электролиз растворов

 

   Различают электролиз раствора или расплава химического вещества. В растворе присутствует дополнительное химическое вещество — вода, которая может принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях.

Катодные процессы

  В растворе солей катод притягивает катионы металлов. Катионы металлов могут выступать в качестве окислителей. Окислительные способности ионов металлов различаются. Для оценки окислительно-восстановительных способностей металлов применяют электро-химический ряд напряжений:

     Каждый металл характеризуется значением электрохимического потен-циала.

Чем меньше потенциал, тем больше восстановительные свойства металла и тем меньше окислительные свойства соответствующего иона этого металла. Разным ионам соответствуют разные значения этого потенциала. Электрохимический потенциал — относительная величина. Электрохимический потенциал водорода принят равным нулю.

   Также около катода находятся молекулы воды Н₂О. В составе воды есть окислитель — ион H⁺. 

При электролизе растворов солей на катоде наблюдаются следующие закономерности:

1. Если металл в соли — активный (до Al³⁺ включительно в ряду напряжений), то вместо металла на катоде восстанавливается (разряжается) водород, т.к. потенциал водорода намного больше. Протекает процесс восстановления молекулярного водорода из воды, при этом образуются ионы OH^—, среда возле катода — щелочная:

2H₂O +2ē → H₂ + 2OH^—

Например, при электролизе раствора хлорида натрия на катоде будет вос-станавливаться только водород из воды.

2. Если металл в соли –  средней активности (между Al

3+ и Н⁺), то на катоде восстанавливается (разряжается) и металл, и водород, так как потенциал таких металлов сравним с потенциалом водорода:

Meⁿ⁺ + nē → Me⁰

2H⁺₂O +2ē → H₂⁰ + 2OH^—

Например, при электролизе раствора сульфата железа (II) на катоде будет восстанавливаться (разряжаться) и железо, и водород:

Fe²⁺ + 2ē → Fe⁰

2H⁺₂O +2ē → H₂⁰ + 2OH^—

3. Если металл в соли — неактивный (после водорода в ряду стандартных электрохимических металлов), то ион такого металла является более сильным окислителем, чем ион водорода, и на катоде восстанавливается только металл:

Meⁿ⁺ + nē → Me⁰

Например, при электролизе раствора сульфата меди (II) на катоде будет восстанавливаться медь:

Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰

4. Если на катод попадают катионы водорода H⁺, то они и восстанавливаются до молекулярного водорода:

2H⁺ + 2ē → H₂⁰

 

Анодные процессы

 

Положительно заряженный анод притягивает анионы и молекулы воды. Анод – окислитель. В качестве восстановителей выступаю либо анионы кислотных остаток, либо молекулы воды (за счет кислорода в степени окисления -2: H₂O^-2).

При электролизе растворов солей на аноде наблюдаются следующие закономерности:

1. Если на анод попадает бескислородный кислотный остаток, то он окисляется до свободного состояния (до степени окисления  0):

неМе^n- – nē = неМе⁰

Например: при электролизе раствора хлорида натрия на аноде окисляют-ся хлорид-ионы:

2Cl^— – 2ē = Cl₂⁰

Действительно, если вспомнить Периодический закон: при увеличении электроотрицательности неметалла его восстановительные свойства уменьшаются. А кислород – второй по величине электроотрицательности элемент. Таким образом, проще окислить практически любой неметалл, а не кислород. Правда, есть одно исключение. Наверное, вы уже догадались. Конечно же, это фтор. Ведь электроотрицательность фтора больше, чем у кислорода. Таким образом, при электролизе растворов фторидов окисляться будут именно молекулы воды, а не фторид-ионы

:

2H₂O^-2 – 4ē → O₂⁰+ 4H⁺

2. Если на анод попадает кислородсодержащий кислотный остаток, либо фторид-ион, то окислению подвергается вода с выделением молекулярно-го кислорода:

2H₂O^-2 – 4ē → O₂⁰ + 4H⁺

3. Если на анод попадает гидроксид-ион, то он окисляется и происходит выделение молекулярного кислорода:

 4O^-2

H^– – 4ē → O₂⁰ + 2H₂O

4. При электролизе растворов солей карбоновых кислот окислению под-вергается атом углерода карбоксильной группы, выделяется углекислый газ и соответствующий алкан. 

Например, при электролизе растворов ацетатов выделяется углекислый газ и этан:

2CH₃C⁺³OO^– –2ē → 2C⁺⁴O₂+ CH₃-CH₃

 

Суммарные процессы электролиза

 

Рассмотрим электролиз растворов различных солей.

Например

, электролиз раствора сульфата меди. На катоде восстанавливаются ионы меди:

Катод (–): Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰

На аноде окисляются молекулы воды:

Анод (+): 2H₂O^-2 – 4ē → O₂ + 4H⁺

Сульфат-ионы в процессе не участвуют. Мы их запишем в итоговом уравнении с ионами водорода в виде серной кислоты:

2Cu²⁺SO₄ + 2H₂O^-2 → 2Cu⁰ + 2H₂SO₄ + O₂⁰

Электролиз раствора хлорида натрия выглядит так:

На катоде восстанавливается водород:

Катод (–): 2H⁺₂O +2ē → H₂⁰ + 2OH^–

На аноде окисляются хлорид-ионы:

Анод (+): 2Cl^– – 2ē → Cl₂⁰

Ионы натрия в процессе электролиза не участвуют. Мы записываем их с гидроксид-анионами в суммарном уравнении электролиза раствора хлорида натрия:

2H⁺₂O +2NaCl^– → H

2⁰ + 2NaOH + Cl₂⁰

Следующий пример: электролиз водного раствора карбоната калия.

На катоде восстанавливается водород из воды:

Катод (–): 2H⁺₂O +2ē → H₂⁰ + 2OH^–

На аноде окисляются молекулы воды до молекулярного кислорода:

Анод (+): 2H₂O^-2 – 4ē → O₂⁰ + 4H⁺

Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия ионы калия и карбонат-ионы в процессе не участвуют. Происходит электролиз воды:

2H₂⁺O^-2 →  2H₂⁰ + O₂⁰ 

Еще один пример: электролиз водного раствора хлорида меди (II).

На катоде восстанавливается медь:

Катод (–): Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰

На аноде окисляются хлорид-ионы до молекулярного хлора:

Анод (+): 2Cl^– – 2ē → Cl₂⁰

Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия происходит электролиз воды:

Cu²⁺Cl₂^– → Cu⁰ + Cl₂⁰

Еще несколько примеров: электролиз раствора гидроксида натрия.

На катоде восстанавливается водород из воды:

Катод (–): 2H⁺₂O +2ē → H₂⁰ + 2OH^–

На аноде окисляются гидроксид-ионы до молекулярного кислорода:

Анод (+): 4O^-2H^– – 4ē → O₂⁰ + 2H₂O

Таким образом, при электролизе раствора гидроксида натрия происходит разложение воды, катионы натрия в процессе не участвуют:

2H₂⁺O^-2 →  2H₂⁰ + O₂⁰ 

 

Электролиз расплавов

 

  При электролизе расплава на аноде окисляются анионы кислотных остатков, а на катоде восстанавливаются катионы металлов. Молекул воды в системе нет.

Например: электролиз расплава хлорида натрия. На катоде восстанавли-ваются катионы натрия:

Катод (–): Na⁺ + ē → Na⁰

На аноде окисляются анионы хлора:

Анод (+): 2Cl^– – 2ē → Cl₂⁰

Суммарное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:

2Na⁺Cl^– →  2Na⁰ + Cl₂⁰ 

 

 

Еще один пример: электролиз расплава гидроксида натрия. На катоде восстанавливаются катионы натрия:

Катод (–): Na⁺ + ē → Na⁰

На аноде окисляются гидроксид-ионы:

Анод (+): 4OH^– – 4ē → O₂⁰ + 2H₂O

Суммарное уравнение электролиза расплава гидроксида натрия:

4Na⁺OH^– →  4Na⁰ + O₂⁰+ 2H₂O 

Многие металлы получают в промышленности электролизом расплавов.

Например, алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия в расплаве криолита. Криолит – Na₃[AlF₆] плавится при более низкой температуре (1100^оС), чем оксид алюминия (2050^оС). А оксид алюминия отлично растворяется в расплавленном криолите.

В растворе криолите оксид алюминия диссоциирует на ионы:

Al₂O₃ = Al³⁺ + AlO₃^3-

На катоде восстанавливаются катионы алюминия:

Катод (–): Al³⁺ + 3ē → Al⁰

На аноде окисляются алюминат-ионы:

Анод (+): 4AlO₃^3– – 12ē → 2Al₂O₃ + 3O₂⁰ 

 Общее уравнение электролиза раствора оксида алюминия в расплаве криолита:

2Al₂О₃ = 4Al⁰ + 3О₂⁰

 

 

В промышленности при электролизе оксида алюминия в качестве электродов используют графитовые стержни. При этом электроды частично окисляются (сгорают) в выделяющемся кислороде:

C⁰ + О₂⁰ = C⁺⁴O₂^-2 

 

Электролиз с растворимыми электродами

 

Если материал электродов выполнен из того же металла, который присут-ствует в растворе в виде соли, или из более активного металла, то на аноде разряжаются не молекулы воды или анионы, а окисляются частицы самого металла в составе электрода.

Например, рассмотрим электролиз раствора сульфата меди (II) с медными электродами.

На катоде разряжаются ионы меди из раствора:

Катод (–): Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰

На аноде окисляются частицы меди из электрода:

Анод (+): Cu⁰ – 2ē → Cu²⁺

Тренировочные тесты в формате ЕГЭ по теме «Электролиз» (задание 22 ЕГЭ по химии) ( с ответами)

Электролиз расплавов и растворов | ЕГЭ по химии

Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей)

Если в раствор или расплав электролита опустить электроды и пропустить постоянный электрический ток, то ионы будут двигаться направленно: катионы к катоду (отрицательно заряженному электроду), анионы к аноду (положительно заряженному электроду).{-}=2{Na}↖{0}+{Cl_2}↖{0}↑$

или

$2NaCl{→}↖{\text»электролиз»}2Na+Cl_2↑$

На катоде образуется металлический натрий, на аноде — газообразный хлор.

Главное, что вы должны помнить: в процессе электролиза за счет электрической энергии осуществляется химическая реакция, которая самопроизвольно идти не может.

Электролиз водных растворов электролитов

Более сложный случай — электролиз растворов электролитов.

В растворе соли, кроме ионов металла и кислотного остатка, присутствуют молекулы воды. Поэтому при рассмотрении процессов на электродах необходимо учитывать их участие в электролизе.

Для определения продуктов электролиза водных растворов электролитов существуют следующие правила:

1. Процесс на катоде зависит не от материала, из которого сделан катод, а от положения металла (катиона электролита) в электрохимическом ряду напряжений, при этом если:

1.1. Катион электролита расположен в ряду напряжений в начале ряда по $Al$ включительно, то на катоде идет процесс восстановления воды (выделяется водород $Н_2↑$).{+}$

2.1. Если анод растворяется (железо, цинк, медь, серебро и все металлы, которые окисляются в процессе электролиза), то окисляется металл анода, несмотря на природу аниона.

2.2. Если анод не растворяется (его называют инертным — графит, золото, платина), то:

а) при электролизе растворов солей бескислородных кислот (кроме фторидов) на аноде идет процесс окисления аниона;

б) при электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот и фторидов на аноде идет процесс окисления воды (выделяется $О_2↑$). Анионы не окисляются, они остаются в растворе;

в) анионы по их способности окисляться располагаются в следующем порядке:

Попробуем применить эти правила в конкретных ситуациях.

Рассмотрим электролиз раствора хлорида натрия в случае, если анод нерастворимый и если анод растворимый.

1) Анод нерастворимый (например, графитовый).

В растворе идет процесс электролитической диссоциации:

Суммарное уравнение:

$2H_2O+2Cl^{-}=H_2↑+Cl_2↑+2OH^{-}$.{-}+O_2↑+2H_2O$

Суммарное молекулярное уравнение:

$2H_2O{→}↖{\text»электролиз»}2H_2↑+O_2↑$

В данном случае, оказывается, идет только электролиз воды. Аналогичный результат получим и в случае электролиза растворов $H_2SO_4, NaNO_3, K_2SO_4$ и др.

Электролиз расплавов и растворов веществ широко используется в промышленности:

1. Для получения металлов (алюминий, магний, натрий, кадмий получают только электролизом).
2. Для получения водорода, галогенов, щелочей.
3. Для очистки металлов — рафинирования (очистку меди, никеля, свинца проводят электрохимическим методом).
4. Для защиты металлов от коррозии (хрома, никеля, меди, серебра, золота) — гальваностегия.
5. Для получения металлических копий, пластинок — гальванопластика.

Электролиз, подготовка к ЕГЭ по химии

Электролиз (греч. elektron — янтарь + lysis — разложение) — химическая реакция, происходящая при прохождении постоянного тока через электролит. Это разложение веществ на их составные части под действием электрического тока.

Процесс электролиза заключается в перемещении катионов (положительно заряженных ионов) к катоду (заряжен отрицательно), и отрицательно заряженных ионов (анионов) к аноду (заряжен положительно).

Итак, анионы и катионы устремляются соответственно к аноду и катоду. Здесь и происходит химическая реакция. Чтобы успешно решать задания по этой теме и писать реакции, необходимо разделять процессы на катоде и аноде. Именно так и будет построена эта статья.

Катод

К катоду притягиваются катионы — положительно заряженные ионы: Na⁺, K⁺, Cu²⁺, Fe³⁺, Ag⁺ и т.д.

Чтобы установить, какая реакция идет на катоде, прежде всего, нужно определиться с активностью металла: его положением в электрохимическом ряду напряжений металлов.

Если на катоде появился активный металл (Li, Na, K) то вместо него восстанавливаются молекулы воды, из которых выделяется водород. Если металл средней активности (Cr, Fe, Cd) — на катоде выделяется и водород, и сам металл. Малоактивные металлы выделяются на катоде в чистом виде (Cu, Ag).

Замечу, что границей между металлами активными и средней активности в ряду напряжений считается алюминий. При электролизе на катоде металлы до алюминия (включительно!) не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды — выделяется водород.

В случае, если на катод поступают ионы водорода — H⁺ (например при электролизе кислот HCl, H₂SO₄) восстанавливается водород из молекул кислоты: 2H⁺ — 2e = H₂

Анод

К аноду притягиваются анионы — отрицательно заряженные ионы: SO₄^2-, PO₄^3-, Cl^—, Br^—, I^—, F^—, S^2-, CH₃COO^—.

При электролизе кислородсодержащих анионов: SO₄^2-, PO₄^3- — на аноде окисляются не анионы, а молекулы воды, из которых выделяется кислород.

Бескислородные анионы окисляются и выделяют соответствующие галогены. Сульфид-ион при оксилении окислении серу. Исключением является фтор — если он попадает анод, то разряжается молекула воды и выделяется кислород. Фтор — самый электроотрицательный элемент, поэтому и является исключением.

Анионы органических кислот окисляются особым образом: радикал, примыкающий к карбоксильной группе, удваивается, а сама карбоксильная группа (COO) превращается в углекислый газ — CO₂.

Примеры решения

В процессе тренировки вам могут попадаться металлы, которые пропущены в ряду активности. На этапе обучения вы можете пользоваться расширенным рядом активности металлов.

Теперь вы точно будете знать, что выделяется на катоде ;-)

Итак, потренируемся. Выясним, что образуется на катоде и аноде при электролизе растворов AgCl, Cu(NO₃)₂, AlBr₃, NaF, FeI₂, CH₃COOLi.

Иногда в заданиях требуется записать реакцию электролиза. Сообщаю: если вы понимаете, что образуется на катоде, а что на аноде, то написать реакцию не составляет никакого труда. Возьмем, например, электролиз NaCl и запишем реакцию:

NaCl + H₂O → H₂ + Cl₂ + NaOH (обычно в продуктах оставляют именно запись «NaOH», не подвергая его дальнейшему электролизу)

Натрий — активный металл, поэтому на катоде выделяется водород. Анион не содержит кислорода, выделяется галоген — хлор. Мы пишем уравнение, так что не можем заставить натрий испариться бесследно 🙂 Натрий вступает в реакцию с водой, образуется NaOH.

Запишем реакцию электролиза для CuSO₄:

CuSO₄ + H₂O → Cu + O₂ + H₂SO₄

Медь относится к малоактивным металлам, поэтому сама в чистом виде выделяется на катоде. Анион кислородсодержащий, поэтому в реакции выделяется кислород. Сульфат-ион никуда не исчезает, он соединяется с водородом воды и превращается в серую кислоту.

Электролиз расплавов

Все, что мы обсуждали до этого момента, касалось электролиза растворов, где растворителем является вода.

Перед промышленной химией стоит важная задача — получить металлы (вещества) в чистом виде. Малоактивные металлы (Ag, Cu) можно легко получать методом электролиза растворов.

Но как быть с активными металлами: Na, K, Li? Ведь при электролизе их растворов они не выделяются на катоде в чистом виде, вместо них восстанавливаются молекулы воды и выделяется водород. Тут нам как раз пригодятся расплавы, которые не содержат воды.

В безводных расплавах реакции записываются еще проще: вещества распадаются на составные части:

AlCl₃ → Al + Cl₂

LiBr → Li + Br₂

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Электрохимическая коррозия металлов (гальванокоррозия) — Химия (теория) — Тематический каталог статей

Как решать задачи по теме «Электрохимическая коррозия металлов»?
Для начала давайте разберемся, что такое электрохимическая коррозия.

Электрохимическая коррозия (гальванокоррозия) — процесс взаимодействия металла с коррозионной средой, сопровождающийся протеканием окислительно-восстановительных реакций (ОВР). Это самый распространенный вид коррозии.
ОВР — реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления. Здесь существуют 2 процесса:
1.    Окисление — процесс увеличения степени окисления.
2.    Восстановление — процесс уменьшения степени окисления.

Таким образом, окислитель присоединяет электроны, а восстановитель отдает электроны.
Например:

 

Условием протекания электрохимической коррозии является:
1.    наличие раствора электролита
2.    наличие двух сопряженных процессов — катодного и анодного.

Анодом (А) называется участок поверхности металла, с которого ионы переходят в раствор электролита. Анод заряжен отрицательно (-) и на нем протекает окислительный процесс разрушения металла.
Катод (К) — участок поверхности металла, где разряжаются катионы электролита. Катод заряжен положительно (+) и на нем протекает восстановительный процесс.
Таким образом, поверхность металлического изделия представляет собой совокупность катодных и анодных микроучастков, которые в среде электролита образуют короткозамкнутые гальванические элементы.

Во время работы гальванические элементы могут частично поляризоваться. В результате перехода электронов с анода на катод потенциал катода становится более отрицательным, а потенциал анода более положительным. В этом случае происходит явление выравнивания потенциалов, что вызывает прекращение тока и коррозии.

В электрохимии  ключевым понятием является активность металла.
Активность металла характеризуется величиной стандартного потенциала металла.

Чем меньше величина стандартного потенциала металла, тем больше способность атомов металла, погруженного в раствор, отдавать электроны, т.е. тем больше его химическая активность.

В зависимости от величины стандартного потенциала металлы объединены в электрохимический ряд напряжений. Окислительная способность металлов увеличивается в этом ряду слева направо, а восстановительная способность металлов увеличивается справа налево. Чем левее находится металл в ряду напряжений (чем отрицательней значение его потенциала), тем выше его химическая активность.
Анодом является более химически активный металл в паре, а катодом — пассивный.

 

 

Таким образом, по ряду напряжений легко определить какой металл является анодом, а какой катодом.
Например, оцинкованное железо.  Это железо с цинковым покрытием.
Посмотрим, какое положение занимают эти металлы в ряду напряжений.
Цинк в ряду напряжений находится левее, значение его потенциала более отрицательно, чем у железа. Таким образом, цинк — более активный металл и в нашем случае он будет являться анодом, а железо, соответственно, катодом.

Если взять другой пример — луженое железо, то это железо, покрытое оловом.
Рассмотрим положение в ряду напряжений железа и олова. В этом случае анодом будет железо, т.к. располагается в ряду напряжений левее, а значит, химически активнее. На катоде будет олово.
Наряду с процессом поляризации протекает и процесс деполяризации. Это процесс повышения потенциала катода.

Наиболее распространенные деполяризаторы:
•    растворенный в воде кислород
•    молекулы воды
•    катионы водорода
О том, какой деполяризатор будет определять протекание катодного процесса, можно судить по соотношению их концентраций. Нужно знать реакцию среды (кислая, щелочная, нейтральная) и на основании этого выбирать нужное уравнение для катода.

 

 

 

 

 

Задачи к разделу Электродные процессы, Гальванический элемент

В настоящем разделе представлены типовые задачи на гальванические элементы: Определение ЭДС гальванического элемента, составление схемы гальванического элемента, определение энергии химической реакции в кДж.

Задача 1.  Вычислите значение э.д.с. гальванического элемента:

(-) Mg / MgSO₄  // CuSO₄ / Cu (+)

Напишите процессы на аноде и катоде, реакцию, генерирующую ток, и определите в кДж энергию химической реакции, превращающуюся в электрическую.

Показать решение »

Решение.

Дана схема гальванического элемента, из которой видно, что анодом является магний, а катодом — медь

(-) Mg /  MgSO₄  // CuSO₄ / Cu (+)

А: Mg⁰ -2e^— = Mg²⁺

К: Cu²⁺ +2e^— = Cu

Mg⁰ + Cu²⁺ = Mg²⁺ + Cu

Mg + CuSO₄ = MgSO₄ + Cu

 

Вычислим ЭДС гальванического элемента:

ЭДС = E⁰_кат — E⁰_ан = E⁰_Cu2+/Cu — E⁰_Mg2+/Mg

E⁰_Cu2+/Cu = +0,337 В

E⁰_Mg2+/Mg = -2,37 В

ЭДС =0,337 + 2,37 = 2,71 В

 

Определим энергию химической реакции:

ΔG⁰₂₉₈ = -nFE = -2∙96500∙2,71 = — 523030 Дж = — 523 кДж

Задача 2. Рассчитайте ЭДС гальванического элемента, составленного из стандартного водородного электрода и свинцового электрода, погруженного в 0,01 М раствор PbCl₂. На каком электроде идёт процесс окисления, а на каком — восстановление?

Показать решение »

Решение.

E⁰_2H+/h3 = 0,00 В

E⁰_Pb2+/Pb = -0,126 В

 

В данной паре потенциал свинца имеет более отрицательное значение, поэтому анодом является свинец:

А: Pb⁰ -2e^— = Pb²⁺

К: 2H⁺ +2e^— = H₂

Pb⁰ + 2H⁺= Pb²⁺ + H₂

 

Определим электродный потенциал свинца:

E = E° + (0,059/n)lgC

E = -0,126 + (0,059/2)∙lg0,01 = -0,185 В

 

Вычислим ЭДС гальванического элемента:

ЭДС = E⁰_кат — E⁰_ан = E⁰_2H+/h3 — E⁰_Pb2+/Pb

ЭДС = 0 + 0,185 = 0,185 В

Задача 3. По уравнению токообразующей реакции составьте схему гальванического элемента:

Ni + СuSO₄ = NiSO₄ + Cu Напишите уравнения анодного и катодного процессов. Рассчитайте стандартную ЭДС.

Показать решение »

Решение.

Пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, найдем E⁰_Ni2+/Ni и E⁰_Cu2+/Cu

E⁰_Ni2+/Ni = -0,250 В

E⁰_Cu2+/Cu = +0,337 В

 

В данной паре потенциал никеля имеет более отрицательное значение, поэтому анодом является никель:

А: Ni⁰ -2e^— = Ni²⁺

К: Cu²⁺ +2e^— = Cu⁰

Ni⁰ + Cu²⁺ = Ni²⁺ + Cu⁰

Ni⁰ + CuSO₄ = NiSO₄ + Cu⁰

 

Составим схему гальванического элемента:

(-) Ni⁰|NiSO₄ || CuSO₄|Cu⁰ (+)

Рассчитаем стандартную ЭДС реакции:

ЭДС = E⁰_кат — E⁰_ан = E⁰_Cu2+/Cu — E⁰_Ni2+/Ni

ЭДС = 0,337 – (- 0,250) = 0,587 В

Задача 4. Составьте схему гальванического элемента из магния и свинца, погруженных в растворы их солей с концентрацией ионов:

[Mg²⁺] = 0,001 моль/л, [Pb²⁺] = 1 моль/л. Напишите уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде. Рассчитайте стандартную ЭДС этого элемента.

Показать решение »

Решение.

Пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, найдем E⁰_Mg2+/Mg и E⁰_Pb2+/Pb

E⁰_Mg2+/Mg = -2,37 В

E⁰_Pb2+/Pb = -0,126 В

 

В данной паре потенциал магния имеет более отрицательное значение и является анодом:

А: Mg⁰ -2e^— = Mg²⁺

К: Pb²⁺ +2e^— = Pb⁰

Mg⁰ + Pb²⁺ = Mg²⁺ + Pb⁰

Составим схему гальванического элемента:

(-) Mg⁰|Mg²⁺ || Pb²⁺|Pb⁰ (+)

Применяя уравнение Нернста, найдем E_Pb2+/Pb и E_Mg2+/Mg заданной концентрации:

E = E° + (0,059/n)lgC

E_Mg2+/Mg = -2,37 + (0,059/2)lg0,001 = -2,46 В

E_Pb2+/Pb = -0,126 + (0,059/2)lg1 = -0,126 В

 

Рассчитаем стандартную ЭДС реакции

ЭДС = E_кат — E_ан = E_Pb2+/Pb — E_Mg2+/Mg

ЭДС = -0,126 – (-2,46) = 2,334 В

Задача 5. Как изменится (увеличится, уменьшится) или останется постоянной масса пластины из кобальта, погруженной в раствор, содержащий соли Fe (II), Mg, Ag (I). Напишите молекулярные уравнения реакций.

Показать решение »

Решение.

Пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, найдем E⁰_Mg2+/Mg, E⁰_Co2+/Co, E⁰_Fe2+/Fe, E⁰_Ag+/Ag

E⁰_Mg2+/Mg = -2,37 В

E⁰_Fe2+/Fe = -0,440 B

E⁰_Co2+/Co = -0,277 B

E⁰_Ag+/Ag = +0,799 B

 

Протекание реакции возможно при условии, когда E⁰_восст < E⁰_ок.

В нашем случае восстановителем является кобальт и условие E⁰_восст < E⁰_ок соблюдается только для пары

Co – Ag.

Co⁰ + Ag⁺ = Co²⁺ + Ag⁰

 

Молекулярное уравнение, например:

Co⁰ + 2AgNO₃ = Co(NO₃)₂ + 2Ag⁰

 

В процессе пластина из кобальта будет растворяться, но одновременно на ее поверхности будет осаждаться серебро.

 

Из уравнения реакции видно, что при взаимодействии 1 моль кобальта, образуется 2 моль серебра.

Мольная масса кобальта M(Co) = 59 г/моль, мольная масса серебра M(Ag) = 108 г/моль.

Найдем массы металлов:

n = m/M, m = n∙M

m(Co) = 1∙59 = 59 г

m(Ag) = 2∙108 = 216 г.

 

Таким образом, масса осажденного серебра больше, чем масса растворенного кобальта, т.е. масса пластины из кобальта увеличится.

В случаях, когда пластина опущена в раствор соли железа или соли магния ее масса не изменится, т.к. кобальт не вытесняет эти металлы из их солей. Т.е. реакции не происходит и масса пластины остается неизменной.

Задача 6. Составьте схему гальванического элемента, уравнения полуреакций анодного и катодного процессов, молекулярное уравнение реакции, проходящей при работе гальванического элемента, анодом которого является никель. Подберите материал для катода. Рассчитайте стандартную ЭДС этого гальванического элемента.

Показать решение »

Решение.

По условию задачи материал анода известен – никель. Электродный потенциал анода всегда имеет более отрицательное значение, т.е. анод состоит из более активного металла, чем катод.

Поэтому нам надо подобрать такой металл, значение потенциала которого, будет иметь большее значение, чем значение электродного потенциала никеля. Например, медь:

E⁰_Ni2+/Ni = -0,250 В

E⁰_Cu2+/Cu = +0,337 В

 

Составим уравнения полуреакций анодного и катодного процессов и молекулярное уравнение реакции, проходящей при работе гальванического элемента.

А: Ni⁰ -2e^— = Ni²⁺

К: Cu²⁺ +2e^— = Cu⁰

Ni⁰ + Cu²⁺ = Ni²⁺ + Cu⁰

Ni⁰ + CuSO₄ = NiSO₄ + Cu⁰

 

Составим схему гальванического элемента:

(-) Ni⁰|NiSO₄ || CuSO₄|Cu⁰ (+)

Рассчитаем стандартную ЭДС реакции

ЭДС = E⁰_кат — E⁰_ан = E⁰_Cu2+/Cu — E⁰_Ni2+/Ni

ЭДС = 0,337 – (- 0,250) = 0,587 В

 

Как выглядит катод. Анод и катод

Любой электровакуумный прибор имеет электрод, предназначенный для испускания (эмиссии) электронов. Этот электрод называется катодом. Электрод, предназначенный для приема эмиттированных катодом электронов, называется анодом.

На анод подают более высокий и положительный относительно катода потенциал.

Катод должен отдавать с единицы поверхности большой ток эмиссии при возможно низкой температуре нагрева и обладать большим сроком службы. Нагрев катода в электровакуумном приборе производится протекающим по нему током.

Такие термоэлектронные катоды разделяются на две основные группы:

• катоды прямого накала,
• катоды косвенного накала (подогревные).

Катоды прямого накала представляют собой металлическую нить, которая непосредственно разогревается током накала и служит для излучения электронов (рис. 6, а ).

Поверхность излучения катодов прямого накала невелика, поэтому от них нельзя получить большой ток эмиссии. Малая теплоемкость нити не позволяет использовать для нагрева переменный ток. Кроме того, при нагреве переменным током температура катода не постоянна во времени, а следовательно, меняется во времени и ток эмиссии.

Положительным свойством катода прямого накала является его экономичность, которая достигается благодаря малому количеству тепла, излучаемого в окружающую среду вследствие малой поверхности катода.

Катоды прямого накала изготовляются из вольфрамовой и никелевой проволоки. Однако большая работа выхода (W 0 = 4,2÷4,5 в) определяет высокую рабочую температуру катода, вследствие чего катод становится неэкономичным. Для повышения экономичности катода вольфрамовую или никелевую проволоку (керн) «активируют» — покрывают пленкой другого элемента. Такие катоды называются активированными.

Если на поверхность керна нанесена электроположительная пленка (пленка из цезия, тория или бария, имеющих меньшую работу выхода, чем материал керна), то происходит поляризация пленки: валентные электроны переходят в керн, и между положительно заряженной пленкой и керном возникает разность потенциалов, ускоряющая движение электрона при выходе его из керна. Работа выхода катода с такой мономолекулярной электроположительной пленкой оказывается меньше работы выхода электрона как из основного металла, так и из металла пленки. При покрытии керна электроотрицательной пленкой, например кислородом, работа выхода катода увеличивается.

Подогревные катоды выполняются в виде никелевых гильз, поверхность которых покрывается активным слоем металла, имеющим малую работу выхода (рис. 6, б ). Внутри катода помещается подогреватель — вольфрамовая нить или спираль, подогрев которой может осуществляться как постоянным, так и переменным током.

Для изоляции подогревателя от гильзы внутренность последней покрывается алундом (Аl 2 O 3).

Подогревные катоды, благодаря их большой тепловой инерции, обычно питают переменным током, значительная поверхность гильзы обеспечивает большой эмиссионный ток. Подогревные катоды, однако, менее экономичны и разогреваются значительно дольше, чем катоды прямого накала.

Параметры и характеристики катодов

Катоды характеризуются следующими основными параметрами:

1. Удельной эмиссией , определяемой величиной тока с одного квадратного сантиметра эмиттирующей поверхности катода при нормальной рабочей температуре.

В электронных лампах с активированными катодами вместо удельной эмиссии часто пользуются параметром,называемым допустимой плотностью катодного тока. Этот параметр характеризуется током, который можно получить с одного квадратного сантиметра поверхности катода при нормальном (рабочем) напряжении накала. Работа при токах с катода, равных току эмиссии в этих лампах, приводит к разрушению поверхности слоя катода.

2. Эффективностью , равной величине тока эмиссии катода, приходящейся на одни ватт затраченной на накал мощности:

Н=I э /P н (12)

где I э — ток эмиссии катода, ма; P н — мощность, затраченная в цепи накала, вт.

3. Сроком службы катода, измеряемым в часах и характеризующим время, в течение которого катод сохраняет необходимые эксплуатационные свойства. Для простых катодов считается, что уменьшение диаметра катода на 10% приводит к его гибели. Соответственно оценивается и срок их службы.

Срок службы активированных катодов определяется уменьшением площади покрытия катода активной пленкой (а следовательно, ухудшением основных параметров лампы) на 20%.

Для выбора оптимального режима работы катода необходимо знать зависимость тока эмиссии катода от его температуры. Непосредственное измерение температуры накаленного катода затруднительно, поэтому пользуются так называемой накальной или эмиссионной характеристикой катода — графически выраженными зависимостями тока накала или тока эмиссии от напряжения или тока накала (рис. 7, а ).

В схеме имеются две цепи: анодная и накальная. Контроль за напряжением накала производится вольтметром V1, непосредственно подключенным в катодную цепь; если необходимо знать ток накала, то в нее включают амперметр. При этом амперметр следует подсоединять к тому зажиму катода, через который проходят накальный и анодный токи в одном направлении: данный конец нити накала нагревается сильнее и работает в наиболее тяжелых тепловых условиях.

Величина тока накала определяется разностью показания амперметра и показания миллиамперметра, но уменьшенного вдвое (так как по этой части цепи проходит примерно половина анодного тока).

Поддерживая постоянным напряжение на аноде, снимают зависимость тока эмиссии от напряжения (или тока) накала. Эмиссионный ток появляется начиная с напряжения на катоде 1-1,5 в и резко возрастает при напряжениях накала, близких к нормальным (рабочим) значениям.

Характеристику I н = ƒ(U н) (см. рис. 7, а ) следует снимать при разомкнутой анодной цепи. Накальная характеристика нелинейна, так как с повышением температуры катода его сопротивление увеличивается. При этом ток накала возрастает меньше, чем увеличивается напряжение накала.

Про анод и катод источника питания необходимо знать тем, кто занимается практической электроникой. Что и как называют? Почему именно так? Будет углублённое рассмотрение темы с точки зрения не только радиолюбительства, но и химии. Наиболее популярное объяснение звучит следующим образом: анод — это положительный электрод, а катод — отрицательный. Увы, это не всегда верно и неполно. Чтобы уметь определить анод и катод, необходимо иметь теоретическую базу и знать, что да как. Давайте рассмотрим это в рамках статьи.

Анод

Обратимся к ГОСТ 15596-82, который занимается химическими Нас интересует информация, размещённая на третьей странице. Согласно ГОСТу, отрицательным электродом является именно анод. Вот так да! А почему именно так? Дело в том, что именно через него электрический ток входит из внешней цепи в сам источник. Как видите, не всё так легко, как кажется на первый взгляд. Можно посоветовать внимательно рассматривать представленные в статье картинки, если содержимое кажется слишком сложным — они помогут понять, что же автор хочет вам донести.

Катод

Обращаемся всё к тому же ГОСТ 15596-82. Положительным электродом химического источника тока является тот, при разряде из которого он выходит во внешнюю цепь. Как видите, данные, содержащиеся в ГОСТ 15596-82, рассматривают ситуацию с другой позиции. Поэтому при консультировании с другими людьми насчет определённых конструкций необходимо быть очень осторожным.

Возникновение терминов

Их ввёл ещё Фарадей в январе 1834 года, чтобы избежать неясности и добиться большей точности. Он предлагал и свой вариант запоминания на примере с Солнцем. Так, у него анод — это восход. Солнце движется вверх (ток входит). Катод — это заход. Солнце движется вниз (ток выходит).

Пример радиолампы и диода

Продолжаем разбираться, что для обозначения чего используется. Допустим, один из данных потребителей энергии у нас имеется в открытом состоянии (в прямом включении). Так, из внешней цепи диода в элемент по аноду входит электрический ток. Но не путайтесь благодаря такому объяснению с направлением электронов. Через катод во внешнюю цепь из используемого элемента выходит электрический ток. Та ситуация, что сложилась сейчас, напоминает случаи, когда люди смотрят на перевёрнутую картину. Если данные обозначения сложные — помните, что разбираться в них таким образом обязательно исключительно химикам. А сейчас давайте сделаем обратное включение. Можно заметить, что полупроводниковые диоды практически не будут проводить ток. Единственное возможное здесь исключение — обратный пробой элементов. А электровакуумные диоды (кенотроны, радиолампы) вообще не будут проводить обратный ток. Поэтому и считается (условно), что он через них не идёт. Поэтому формально выводы анод и катод у диода не выполняют свои функции.

Почему существует путаница?

Специально, чтобы облегчить обучение и практическое применение, было решено, что диодные элементы названия выводов не будут менять зависимо от своей схемы включения, и они будут «прикреплены» к физическим выводам. Но это не относится к аккумуляторам. Так, у полупроводниковых диодов всё зависит от типа проводимости кристалла. В электронных лампах этот вопрос привязан к электроду, который эмитирует электроны в месте расположения нити накала. Конечно, тут есть определённые нюансы: так, через такие как супрессор и стабилитрон, может немного протекать обратный ток, но здесь существует специфика, явно выходящая за рамки статьи.

Разбираемся с электрическим аккумулятором

Это по-настоящему классический пример химического источника электрического тока, что является возобновляемым. Аккумулятор пребывает в одном из двух режимов: заряд/разряд. В обоих этих случаях будет разное направление электрического тока. Но обратите внимание, что полярность электродов при этом меняться не будет. И они могут выступать в разных ролях:

1. Во время зарядки положительный электрод принимает электрический ток и является анодом, а отрицательный его отпускает и именуется катодом.
2. При отсутствии движения о них разговор вести нет смысла.
3. Во время разряда положительный электрод отпускает электрический ток и является катодом, а отрицательный принимает и именуется анодом.

Об электрохимии замолвим слово

Здесь используют немного другие определения. Так, анод рассматривается как электрод, где протекают окислительные процессы. И вспоминая школьный курс химии, можете ответить, что происходит в другой части? Электрод, на котором протекают восстановительные процессы, называется катодом. Но здесь нет привязки к электронным приборам. Давайте рассмотрим ценность окислительно-восстановительных реакций для нас:

1. Окисление. Происходит процесс отдачи частицей электрона. Нейтральная превращается в положительный ион, а отрицательная нейтрализуется.
2. Восстановление. Происходит процесс получения частицей электрона. Положительная превращается в нейтральный ион, а потом в отрицательный при повторении.
3. Оба процесса являются взаимосвязанными (так, количество электронов, что отданы, равняется присоединённому их числу).

Также Фарадеем для обозначения были введены названия для элементов, что принимают участие в химических реакциях:

1. Катионы. Так называются положительно заряженные ионы, что двигаются в в сторону отрицательного полюса (катода).
2. Анионы. Так называются отрицательно заряженные ионы, что двигаются в растворе электролита в сторону положительного полюса (анода).

Как происходят химические реакции?

Окислительная и восстановительная полуреакции являются разделёнными в пространстве. Переход электронов между катодом и анодом осуществляется не непосредственно, а благодаря проводнику внешней цепи, на котором создаётся электрический ток. Здесь можно наблюдать взаимное превращение электрической и химической форм энергии. Поэтому для образования внешней цепи системы из проводников разного рода (коими являются электроды в электролите) и необходимо пользоваться металлом. Видите ли, напряжение между анодом и катодом существует, как и один нюанс. И если бы не было элемента, что мешает им напрямую произвести необходимый процесс, то ценность источников химического тока была бы весьма низка. А так, благодаря тому, что заряду необходимо пройтись по той схеме, была собрана и работает техника.

Что есть что: шаг 1

Теперь давайте будем определять, что есть что. Возьмём гальванический элемент Якоби-Даниэля. С одной стороны он состоит из цинкового электрода, который опущен в раствор сульфата цинка. Затем идёт пористая перегородка. И с другой стороны имеется медный электрод, который расположен в растворе Они соприкасаются между собой, но химические особенности и перегородка не дают смешаться.

Шаг 2: Процесс

Происходит окисление цинка, и электроны по внешней цепи двигаются к меди. Так получается, что гальванический элемент имеет анод, заряженный отрицательно, и катод — положительный. Причем данный процесс может протекать только в тех случаях, когда электронам есть куда «идти». Дело в том, что попасть напрямую от электрода к другому мешает наличие «изоляции».

Шаг 3: Электролиз

Давайте рассмотрим процесс электролиза. Установка для его прохождения является сосудом, в котором имеется раствор или расплав электролита. В него опущено два электрода. Они подключены к источнику постоянного тока. Анод в этом случае — это электрод, который подключен к положительному полюсу. Здесь происходит окисление. Отрицательно заряженный электрод — это катод. Здесь протекает реакция восстановления.

Шаг 4: Напоследок

Поэтому при оперировании данными понятиями всегда необходимо учитывать, что анод не в 100% случаев используется для обозначения отрицательного электрода. Также катод периодически может лишаться своего положительного заряда. Всё зависит от того, какой процесс на электроде протекает: восстановительный или окислительный.

Заключение

Вот таким всё и является — не очень сложно, но не скажешь, что и просто. Мы рассмотрели гальванический элемент, анод и катод с точки зрения схемы, и сейчас проблем с соединением источников питания с наработками у вас быть не должно. И напоследок нужно оставить ещё немного ценной для вас информации. Всегда приходится учитывать разницу, которую имеет анода. Дело в том, что первый всегда будет немного большим. Это из-за того, что коэффициент полезного действия не работает с показателем в 100 % и часть зарядов рассеивается. Именно из-за этого можно увидеть, что аккумуляторы имеют ограничение на количество раз заряда и разряда.

Изучение таких отраслей, как электрохимия и цветная металлургия, невозможно без понимания в полной мере терминов катод и анод. В то же время эти термины являются неотъемлемой частью вакуумных и полупроводниковых электронных приборов.

Катод и анод в электрохимии

Под электрохимией следует понимать раздел физической химии, изучающий химические процессы, вызываемые воздействием электрического тока, а также электрические явления, вызываемые химическими процессами. Существует два основных вида электрохимических операций:

В электрохимии под терминами анод и катод понимают следующее:

1. Электрод, на котором проходит окислительная реакция, называется анодом;
2. Электрод, на котором осуществляется процедура восстановления, называется катодом.

Под процессами окисления стоит понимать процедуру, при которой частица отдает электроны. Восстановительный процесс подразумевает процедуру принятия электронов частицей. Соответственно, частицы, которые отдают электроны, именуются «восстановителями», и они подвержены окислению. Частицы, которые принимают электроны, именуются «окислителями», они восстанавливаются.

Цветная металлургия широко использует процесс электролиза для выделения металлов из добытых руд и дальнейшей очистки. В процедуре электролиза применяются растворимые и нерастворимые аноды, а сами процессы называются электрорафинированием и электроэкстракцией, соответственно.

Катод в вакуумных приборах

Одной из разновидностей электровакуумных приборов является электронная лампа. Предназначение электроламп – регулирование потока электронов, дрейфующих в вакууме между другими электродами. Конструктивно электролампа выглядит как герметичный сосуд-баллон, с помещенными в середине мелкими металлическими выводами. Численность выводов зависит от вида радиолампы.

В составе любой радиолампы такие элементы:

• Катод;
• Анод;
• Сетка.

Катодом электролампы подразумевается разогретый электрод, подключенный к «минусу» блока питания и испускающий электроны, будучи накаленным. Эти электроны движутся к аноду, подключенному к «плюсу». Процесс испускания электронов разогретым катодом называется термоэмиссией, а возникший при этом ток именуется током термоэмиссии. Метод нагрева обуславливает разновидности катодов:

• Катод прямого разогрева;
• Катод непрямого разогрева.

Катодом непосредственного накала является прочный вольфрамовый проводник большого сопротивления. Прогревание катода проходит путем подвода к нему напряжения.

Важно! К особенностям электронных ламп непосредственного нагрева относятся быстрый запуск лампы в работу при меньшем потреблении мощности, хотя за счет срока службы. Поскольку питающий ток таких ламп является постоянным, то ограничено их применение в среде переменного тока.

Электролампы, у которых внутри катода, выполненного в виде цилиндра, размещена нагревающая нить, называются радиолампами косвенного нагрева.

Конструктивно анод выглядит в виде пластины либо коробочки, размещенной вокруг катода с сеткой и имеющей потенциал, обратный катоду. Дополнительные электроды, размещенные между анодом и катодом, называются сеткой и применяются для регулировки потока электронов.

Катод у полупроводниковых приборов

К полупроводниковым приборам относятся устройства, состоящие из вещества, удельное электрическое сопротивление которого больше сопротивления проводника, но меньше сопротивления диэлектрика. К особенностям таких приборов относится большая зависимость электропроводимости от концентрации добавок и влияния электрическим током. Свойства p-n перехода определяют принципы работы большей части полупроводниковых компонентов.

Наиболее простым представителем полупроводниковых компонентов является диод. Это элемент, имеющий два вывода и один p-n переход, отличительной особенностью которого выступает протекание тока в одном направлении.

Химические реакции, сопровождающиеся переносом электронов () делятся на два типа: реакции, протекающие самопроизвольно и реакции, протекающие при прохождении тока через раствор или расплав .

Раствор или расплав электролита помещают в специальную емкость — электролитическую ванну .

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц — ионов, электронов и др. под действием внешнего электрического поля. Электрическое поле в растворе или расплаве электролита создают электроды .

Электроды — это, как правило, стержни из материала, проводящего электрический ток. Их помещают в раствор или расплав электролита , и подключают к электрической цепи с источником питания.

При этом отрицательно заряженный электрод катод — притягивает положительно заряженные ионы — катионы . Положительно заряженный электрод (анод ) притягивает отрицательно заряженные частицы (анионы ). Катод выступает в качестве восстановителя, а анод — в качестве окислителя.

Различают электролиз с активными и инертными электродами. Активные (растворимые) электроды подвергаются химическим превращениям в процессе электролиза. Обычно их изготавливают из меди, никеля и других металлов. Инертные (нерастворимые) электроды химическим превращениям не подвергаются. Их изготавливают из неактивных металлов, например, платины , или графита .

Электролиз растворов

Различают электролиз раствора или расплава химического вещества. В растворе присутствует дополнительное химическое вещество — вода , которая может принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях.

Катодные процессы

В растворе солей катод притягивает катионы металлов. Катионы металлов могут выступать в качестве окислителей . Окислительные способности ионов металлов различаются. Для оценки окислительно-восстановительных способностей металлов применяют электро-химический ряд напряжений :

Каждый металл характеризуется значением электрохимического потен-циала. Чем меньше потенциал , тем больше восстановительные свойства металла и тем меньше окислительные свойства соответствующего иона этого металла. Разным ионам соответствуют разные значения этого потенциала. Электрохимический потенциал — относительная величина. Электрохимический потенциал водорода принят равным нулю.

Также около катода находятся молекулы воды Н 2 О . В составе воды есть окислитель — ион H + .

При электролизе растворов солей на катоде наблюдаются следующие закономерности:

1. Если металл в соли — активный (до Al 3+ включительно в ряду напряжений ), то вместо металла на катоде восстанавливается (разряжается) водород , т.к. потенциал водорода намного больше. Протекает процесс восстановления молекулярного водорода из воды, при этом образуются ионы OH — , среда возле катода — щелочная:

2H 2 O +2ē → H 2 + 2OH —

Например , при электролизе раствора хлорида натрия на катоде будет вос-станавливаться только водород из воды.

2. Если металл в соли – средней активности (между Al 3+ и Н +) , то на катоде восстанавливается (разряжается ) и металл , и водород , так как потенциал таких металлов сравним с потенциалом водорода:

Me n+ + nē → Me 0

Например , при электролизе раствора сульфата железа (II) на катоде будет восстанавливаться (разряжаться ) и железо, и водород:

Fe 2+ + 2ē → Fe 0

2H + 2 O +2ē → H 2 0 + 2OH —

3. Если металл в соли — неактивный (после водорода в ряду стандартных электрохимических металлов) , то ион такого металла является более сильным окислителем, чем ион водорода, и на катоде восстанавливается только металл:

Me n+ + nē → Me 0

Например, при электролизе раствора сульфата меди (II) на катоде будет восстанавливаться медь:

Cu 2+ + 2ē → Cu 0

4. Если на катод попадают катионы водорода H + , то они и восстанавливаются до молекулярного водорода:

2H + + 2ē → H 2 0

Анодные процессы

Положительно заряженный анод притягивает анионы и молекулы воды. Анод – окислитель. В качестве восстановителей выступаю либо анионы кислотных остаток, либо молекулы воды (за счет кислорода в степени окисления -2: H 2 O -2 ).

При электролизе растворов солей на аноде наблюдаются следующие закономерности:

1. Если на анод попадает бескислородный кислотный остаток , то он окисляется до свободного состояния (до степени окисления 0):

неМе n- – nē = неМе 0

Например : при электролизе раствора хлорида натрия на аноде окисляют-ся хлорид-ионы:

2Cl — – 2ē = Cl 2 0

Действительно, если вспомнить Периодический закон: при увеличении электроотрицательности неметалла его восстановительные свойства уменьшаются . А кислород – второй по величине электроотрицательности элемент. Таким образом, проще окислить практически любой неметалл, а не кислород. Правда, есть одно исключение . Наверное, вы уже догадались. Конечно же, это фтор. Ведь электроотрицательность фтора больше, чем у кислорода. Таким образом, при электролизе растворов фторидов окисляться будут именно молекулы воды, а не фторид-ионы :

2H 2 O -2 – 4ē → O 2 0 + 4H +

2. Если на анод попадает кислородсодержащий кислотный остаток, либо фторид-ион , то окислению подвергается вода с выделением молекулярно-го кислорода:

2H 2 O -2 – 4ē → O 2 0 + 4H +

3. Если на анод попадает гидроксид-ион, то он окисляется и происходит выделение молекулярного кислорода:

4 O -2 H – – 4ē → O 2 0 + 2H 2 O

4. При электролизе растворов солей карбоновых кислот окислению под-вергается атом углерода карбоксильной группы, выделяется углекислый газ и соответствующий алкан.

Например , при электролизе растворов ацетатов выделяется углекислый газ и этан:

2CH 3 C +3 OO – – 2ē → 2C +4 O 2 + CH 3 -CH 3

Суммарные процессы электролиза

Рассмотрим электролиз растворов различных солей.

Например , электролиз раствора сульфата меди . На катоде восстанавли-ваются ионы меди:

Катод (–): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

На аноде окисляются молекулы воды :

Анод (+): 2H 2 O -2 – 4ē → O 2 + 4H +

Сульфат-ионы в процессе не участвуют. Мы их запишем в итоговом урав-нении с ионами водорода в виде серной кислоты:

2 Cu 2+ SO 4 + 2H 2 O -2 → 2Cu 0 + 2H 2 SO 4 + O 2 0

Электролиз раствора хлорида натрия выглядит так:

На катоде восстанавливается водород :

Катод (–):

На аноде окисляются хлорид-ионы :

Анод (+): 2Cl – – 2ē → Cl 2 0

Ионы натрия в процессе электролиза не участвуют. Мы записываем их с гидроксид-анионами в суммарном уравнении электролиза раствора хло-рида натрия :

2H + 2 O +2NaCl – → H 2 0 + 2NaOH + Cl 2 0

Следующий пример карбоната калия.

На катоде восстанавливается водород из воды :

Катод (–): 2H + 2 O +2ē → H 2 0 + 2OH –

На аноде окисляются молекулы воды до молекулярного кислорода :

Анод (+): 2H 2 O -2 – 4ē → O 2 0 + 4H +

Таким образом, при

2H 2 + O -2 → 2H 2 0 + O 2 0

Еще один пример : электролиз водного раствора хлорида меди (II).

На катоде восстанавливается медь :

Катод (–): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

На аноде окисляются хлорид-ионы до молекулярного хлора :

Анод (+): 2Cl – – 2ē → Cl 2 0

Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия ионы калия и карбонат-ионы в процессе не участвуют. Происходит электролиз воды:

Cu 2+ Cl 2 – → Cu 0 + Cl 2 0

Еще несколько примеров: электролиз раствора гидроксида натрия.

На катоде восстанавливается водород из воды :

Катод (–): 2H + 2 O +2ē → H 2 0 + 2OH –

На аноде окисляются гидроксид-ионы до молекулярного кислорода :

Анод (+): 4 O -2 H – – 4ē → O 2 0 + 2H 2 O

Таким образом, при электролизе раствора гидроксида натрия происходит разложение воды, катионы натрия в процессе не участвуют:

2H 2 + O -2 → 2H 2 0 + O 2 0

Электролиз расплавов

При электролизе расплава на аноде окисляются анионы кислотных остатков, а на катоде восстанавливаются катионы металлов. Молекул воды в системе нет.

Например: электролиз расплава хлорида натрия . На катоде восстанавли-ваются катионы натрия:

Катод (–): Na + + ē → Na 0

На аноде окисляются анионы хлора :

Анод (+): 2Cl – – 2ē → Cl 2 0

расплава хлорида натрия :

2Na + Cl – → 2Na 0 + Cl 2 0

Еще один пример: электролиз расплава гидроксида натрия . На катоде восстанавливаются катионы натрия:

Катод (–): Na + + ē → Na 0

На аноде окисляются гидроксид-ионы :

Анод (+): 4OH – – 4ē → O 2 0 + 2H 2 O

Сумарное уравнение электролиза расплава гидроксида натрия :

4Na + OH – → 4Na 0 + O 2 0 + 2H 2 O

Многие металлы получают в промышленности электролизом расплавов.

Например , алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия в расплаве криолита. Криолит – Na 3 плавится при более низкой температуре (1100 о С), чем оксид алюминия (2050 о С). А оксид алюминия отлично растворяется в расплавленном криолите.

В растворе криолите оксид алюминия диссоциирует на ионы:

Al 2 O 3 = Al 3+ + AlO 3 3-

На катоде восстанавливаются катионы алюминия:

Катод (–): Al 3+ + 3ē → Al 0

На аноде окисляются алюминат-ионы :

Анод (+): 4AlO 3 3 – – 12ē → 2Al 2 O 3 + 3O 2 0

Общее уравнение электролиза раствора оксида алюминия в расплаве криолита:

2Al 2 О 3 = 4Al 0 + 3О 2 0

В промышленности при электролизе оксида алюминия в качестве электродов используют графитовые стержни. При этом электроды частично окисляются (сгорают) в выделяющемся кислороде:

C 0 + О 2 0 = C +4 O 2 -2

Электролиз с растворимыми электродами

Если материал электродов выполнен из того же металла, который присут-ствует в растворе в виде соли, или из более активного металла, то на аноде разряжаются не молекулы воды или анионы, а окисляются частицы самого металла в составе электрода.

Например , рассмотрим электролиз раствора сульфата меди (II) с медными электродами.

На катоде разряжаются ионы меди из раствора:

Катод (–): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

На аноде окисляются частицы меди из электрода :

Анод (+): Cu 0 – 2ē → Cu 2+

Среди терминов в электрике встречаются такие понятия как анод и катод. Это касается источников питания, гальваники, химии и физики. Термин встречается также в вакуумной и полупроводниковой электронике. Им обозначают выводы или контакты устройств и каким электрическим знаком они обладают. В этой статье мы расскажем, что это такое анод и катод, а также как определить где они находятся в электролизере, диоде и у батарейки, что из них плюс, а что минус.

Электрохимия и гальваника

В электрохимии есть два основных раздела:

1. Гальванические элементы – производство электричества за счет химической реакции. К таким элементам относятся батарейки и аккумуляторы. Их часто называют химическими источниками тока.
2. Электролиз – воздействие на химическую реакцию электроэнергией, простыми словами – с помощью источника питания запускается какая-то реакция.

Рассмотрим окислительно-восстановительную реакцию в гальваническом элементе, тогда какие процессы протекают на его электродах?

• Анод – электрод на котором наблюдается окислительная реакция , то есть он отдаёт электроны . Электрод, на котором происходит окислительная реакция – называется восстановителем .
• Катод – электрод на котором протекает восстановительная реакция , то есть он принимает электроны . Электрод, на котором происходит восстановительная реакция – называется окислителем .

Отсюда возникает вопрос – где плюс, а где минус у батарейки? Исходя из определения, у гальванического элемента анод отдаёт электроны .

Важно! В ГОСТ 15596-82 дано официальное определение названий выводов химических источников тока, если кратко, то плюс на катоде, а минус на аноде.

В данном случае рассматривается протекание электрического тока по проводнику внешней цепи от окислителя (катода) к восстановителю (аноду) . Так как электроны в цепи текут от минуса к плюсу, а электрический ток наоборот, тогда катод – это плюс, а анод – это минус.

Внимание: ток всегда втекает в анод!

Или то же самое на схеме:

Процесс электролиза или зарядки аккумулятора

Эти процессы похожи и обратны гальваническому элементу, поскольку здесь не энергия поступает за счет химической реакции, а наоборот – химическая реакция происходит за счет внешнего источника электричества.

В этом случае плюс источника питания всё также называется катодом, а минус анодом. Зато контакты заряжаемого гальванического элемента или электроды электролизера уже будут носить противоположные названия, давайте разберемся почему!

Важно! При разряде гальванического элемента анод – минус, катод – плюс, при зарядке наоборот.

Так как ток от плюсового вывода источника питания поступает на плюсовой вывод аккумулятора – последний уже не может быть катодом. Ссылаясь на вышесказанное можно сделать вывод, что в этом случае электроды аккумулятора при зарядке условно меняются местами.

Тогда через электрод заряжаемого гальванического элемента, в который втекает электрический ток, называют анодом. Получается, что при зарядке у аккумулятора плюс становится анодом, а минус катодом.

Процессы осаждения металлов в результате химической реакции под воздействием электрического тока (при электролизе) называют гальванотехникой. Таким образом мир получил посеребренные, золоченные, хромированные или покрытые другими металлами украшения и детали. Этот процесс используют как в декоративных, так и в прикладных целях – для улучшения стойкости к коррозии различных узлов и агрегатов механизмов.

Принцип действия установок для нанесения гальванического покрытия лежит в использовании растворов солей элементов, которыми будут покрывать деталь, в качестве электролита.

В гальванике анод также является электродом, к которому подключаются плюсовой вывод источника питания, соответственно катод в этом случае – это минус. При этом металл осаждается (восстанавливается) на минусовом электроде (реакция восстановления). То есть если вы хотите сделать позолоченное кольцо своими руками – подключите к нему минусовой вывод блока питания и поместите в ёмкость с соответствующим раствором.

В электронике

Электроды или ножки полупроводниковых и вакуумных электронных приборов тоже часто называют анодом и катодом. Рассмотрим условное графическое обозначение полупроводникового диода на схеме:

Как мы видим, анод у диода подключается к плюсу батареи. Он так называется по той же причине – в этот вывод у диода в любом случае втекает ток. На реальном элементе на катоде есть маркировка в виде полосы или точки.

У светодиода аналогично. На 5 мм светодиодах внутренности видны через колбу. Та половина, что больше — это катод.

Также обстоит ситуация и с тиристором, назначение выводов и «однополярное» применение этих трёхногих компонентов делают его управляемым диодом:

У вакуумного диода анод тоже подключается к плюсу, а катод к минусу, что изображено на схеме ниже. Хотя при приложении обратного напряжения – названия этих элементов не изменятся, несмотря на протекание электрического тока в обратном направлении, пусть и незначительного.

С пассивными элементами, такими как конденсаторы и резисторы дело обстоит иначе. У резистора не выделяют отдельно катод и анод, ток в нём может протекать в любом направлении. Вы можете дать любые названия его выводам, в зависимости от ситуации и рассматриваемой схемы. У обычных неполярных конденсаторов также. Реже такое разделение по названиям контактов наблюдается в электролитических конденсаторах.

Заключение

Итак, подведем итоги, ответив на вопрос: как запомнить где плюс, где минус у катода с анодом? Есть удобное мнемоническое правило для электролиза, заряда аккумуляторов, гальваники и полупроводниковых приборов. У этих слов с аналогичными названиями одинаковое количество букв, что проиллюстрировано ниже:

Во всех перечисленных случаях ток вытекает из катода, а втекает в анод.

Пусть вас не собьёт с толку путаница: «почему у аккумулятора катод положительный, а когда его заряжают – он становится отрицательным?». Помните у всех элементов электроники, а также электролизеров и в гальванике – в общем у всех потребителей энергии анодом называют вывод, подключаемый к плюсу. На этом отличия заканчиваются, теперь вам проще разобраться что плюс, что минус между выводами элементов и устройств.

Теперь вы знаете, что такое анод и катод, а также как запомнить их достаточно быстро. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Материалы

Что такое анод и катод? / химия | Thpanorama

анод и катод это типы электродов, которые находятся в электрохимических ячейках. Это устройства, способные вырабатывать электрическую энергию посредством химической реакции. Наиболее используемыми электрохимическими элементами являются батареи.

Существует два типа электрохимических элементов: электролитические и гальванические или гальванические. В электролизерах химическая реакция, которая производит энергию, не происходит самопроизвольно, но электрический ток превращается в химическую реакцию окисления-восстановления.

Гальваническая ячейка состоит из двух половинных ячеек. Они связаны двумя элементами: металлическим проводником и соляным мостиком..

Электрический проводник, как видно из его названия, проводит электричество, потому что у него очень мало сопротивления движению электрического заряда. Лучшие водители обычно металлы.

Солевой мостик представляет собой трубу, которая соединяет две половинки ячейки, сохраняя при этом электрический контакт, и не позволяя компонентам каждой ячейки соединяться. Каждая полуэлемента гальванической ячейки содержит электрод и электролит..

Когда происходит химическая реакция, одна из полуэлементов теряет электроны на своем электроде в процессе окисления; в то время как другой получает электроны для своего электрода, через процесс восстановления.

 Процессы окисления происходят на аноде, а процессы восстановления — на катоде.

Определение анода и катода

анод

Название анода происходит от греческого ανά (aná): вверх, и δδ (odós): путь. Фарадей был тем, кто придумал этот термин в 19 веке.

Лучшее определение анода — это электрод, который теряет электроны в реакции окисления. Обычно это связано с положительным полюсом прохождения электрического тока, но это не всегда так.

Хотя в батареях анод является положительным полюсом, в светодиодных лампах он противоположен, а анод является отрицательным полюсом.

Обычно направление электрического тока определяется, оценивая его как чувство свободных зарядов, но если проводник не металлический, то положительные заряды, которые образуются, передаются на внешний проводник..

Это движение подразумевает, что у нас есть положительные и отрицательные заряды, которые движутся в противоположных направлениях, поэтому говорят, что направление тока — это путь положительных зарядов катионов, находящихся в аноде, к отрицательному заряду анодов. найдено в катоде.

В гальванических элементах, имеющих металлический проводник, ток, генерируемый в реакции, следует по пути от положительного полюса к отрицательному.

Но в электролизерах, не имеющих металлический проводник, а электролит, можно обнаружить ионы с положительным и отрицательным зарядом, которые движутся в противоположных направлениях..

Термоэлектронные аноды получают большую часть электронов, которые поступают с катода, нагревают анод и должны найти способ рассеивания. Это тепло генерируется в напряжении, которое возникает между электронами.

Специальные аноды

Существует особый тип анодов, например, внутри рентгеновских лучей. В этих трубках энергия, производимая электронами, помимо рентгеновских лучей, генерирует большую энергию, которая нагревает анод..

Это тепло происходит при различном напряжении между двумя электродами, и это оказывает давление на электроны. Когда электроны движутся в электрическом токе, они попадают на анод, передавая его тепло.

катод

Катод — это электрод с отрицательным зарядом, который в химической реакции подвергается реакции восстановления, где его состояние окисления уменьшается, когда он получает электроны..

Как и в случае с анодом, именно Фарадей предложил термин «катод», который происходит от греческого κατά [catá]: «вниз» и ὁδός [odós]: «camino». На этом электроде с течением времени ему был приписан отрицательный заряд.

Этот подход был ложным, поскольку в зависимости от устройства, в котором он находится, он имеет нагрузку или другой.

Эта связь с отрицательным полюсом, как и с анодом, возникает из предположения, что ток течет от положительного полюса к отрицательному полюсу. Это возникает внутри гальванического элемента.

Внутри электролизеров средства передачи энергии, находящиеся не в металле, а в электролите, могут сосуществовать с отрицательными и положительными ионами, которые движутся в противоположных направлениях. Но по договоренности говорят, что ток идет от анода к катоду.

Специальные катоды

Одним типом конкретных катодов являются термоэлектронные катоды. В них катод испускает электроны под действием тепла.

В термоэлектронных клапанах катод может нагреваться, циркулируя ток нагрева в нити, которая связана с ним.

Реакция баланса

Если мы возьмем гальваническую ячейку, которая является наиболее распространенной электрохимической ячейкой, мы можем сформулировать равновесную реакцию, которая генерируется.

Каждая полуэлемента, которая составляет гальванический элемент, имеет характерное напряжение, известное как потенциал восстановления. В каждой половине клетки происходит реакция окисления между различными ионами.

Когда эта реакция достигает баланса, клетка не может обеспечить больше напряжения. В это время окисление, происходящее в полуклетке того момента, будет иметь положительное значение, чем ближе вы находитесь к балансу. Потенциал реакции будет тем больше, чем больше достигается равновесие.

Когда анод находится в равновесии, он начинает терять электроны, которые проходят через проводник к катоду.

На катоде происходит реакция восстановления, чем дальше она находится от более потенциального равновесия, то реакция будет проходить по мере того, как она происходит, и забирать электроны, поступающие с анода.

ссылки

1. Хьюи, Джеймс Э. и др..Неорганическая химия: принципы строения и реакционная способность. Пирсон Образование Индия, 2006.
2. SIENKO, Michell J.; РОБЕРТ, А.Химия: принципы и свойства. Нью-Йорк, США: McGraw-Hill, 1966.
3. Брэйди, Джеймс Е.Общая химия: принципы и структура. Вилли, 1990.
4. PETRUCCI, Ральф Х. и др..Общая химия. Межамериканский образовательный фонд, 1977.
5. МАСТЕРТОН, Уильям Л .; ХЕРЛИ, Сесиль Н.Химия: принципы и реакции. Cengage Learning, 2015.
6. BABOR, Иосиф А.; BABOR, Хосе Иосиф А.; АЗНАРЕЗ, Хосе Ибарц.Современная общая химия: введение в физическую химию и превосходную описательную химию (неорганическую, органическую и биохимическую). Марин, 1979.
7. ШАРЛО, Гастон; ТРЕМИЛЛОН, Бернард; БАДОЗ-ЛАМБЛИНГ, J. Электрохимические реакции. Торе-Массон, 1969.

Определение анода в химии.

Примеры анода в следующих разделах:

• Обозначение электрохимической ячейки

  • .), Анод , , катод и электродные компоненты описаны в этом уникальном сокращении.
  • Напомним, что окисление происходит на аноде , а восстановление происходит на катоде.
  • Когда анод , и катод соединены проволокой, электроны текут от анода к катоду.
  • Кадмий окисляется за счет потери электронов, а твердый Cd представляет собой анод .
  • Сначала описывается полуэлемент с анодом ; следует катодная полуячейка.

• Гальванические элементы

  • Электрохимические ячейки имеют два проводящих электрода, которые называются анодом , и катодом.
  • Анод определяется как электрод, на котором происходит окисление.
  • Анод подвергнется окислению, а катод — восстановлению.
  • Медь легко окисляет цинк; анод , — цинк, а катод — медь.
  • Напомним, что восстановление происходит на катоде, а окисление происходит на аноде в гальваническом элементе

• Предотвращение коррозии

  • Это связано с тем, что незащищенное железо подвергается окислению и становится анодным .
  • Жертвенный анод подвергнется коррозии раньше, чем металл, который он защищает.
  • Однако, как только расходуемый анод подвергнется коррозии, его необходимо заменить; в противном случае металл, который она защищает, тоже начнет разъедать.
  • Гальванический расходный анод прикрепленный к корпусу корабля; здесь протекторный анод показывает коррозию, а металл, к которому он прикреплен, — нет.
  • Гальванический анод продолжает корродировать, расходуя материал анода , пока в конечном итоге его не нужно будет заменить, но катодный материал защищен.

• Катодные лучи

  • Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, они отталкиваются катодом и притягиваются к аноду .
  • После того, как электроны достигают анода , они проходят через провод анода к источнику питания и обратно к катоду, поэтому катодные лучи переносят электрический ток через трубку.
  • Но на аноде (положительном) конце трубки начало светиться стекло самой трубки.
  • К тому времени, когда трубка потемнела, большая часть электронов могла перемещаться по прямым линиям от катода до конца трубки анодом и без столкновений.
  • Когда они достигли конца трубки с анодом и , они двигались так быстро, что, хотя они были привлечены к нему, они часто пролетали мимо анода и ударялись о заднюю стенку трубки.

• Электролитические свойства

  • Другая реакция происходит на аноде , производя электроны, которые в конечном итоге переносятся на катод.
  • В результате в электролите вокруг катода образуется облако отрицательного заряда, а вокруг анода образуется положительный заряд.
  • Окисление ионов или нейтральных молекул происходит на аноде , а восстановление ионов или нейтральных молекул происходит на катоде.
  • Две мнемоники для запоминания того, что восстановление происходит на катоде и окисление на аноде : «Красный кот» (восстановление — катод) и «An Ox» (анод , — окисление).
  • Возможно окисление ионов двухвалентного железа до ионов трехвалентного железа на аноде .

• Литий-ионная батарея

  • Три участника электрохимических реакций в литий-ионной батарее — это анод , , катод и электролит.
  • И анод , , который представляет собой литийсодержащее соединение, и катод, который представляет собой углеродсодержащее соединение, являются материалами, в которые ионы лития могут мигрировать.
  • Когда литиевая ячейка разряжается, положительный ион лития извлекается из катода и вставляется в анод , высвобождая накопленную энергию в процессе.
  • Анод обычно представляет собой один из трех материалов: слоистый оксид (например, оксид лития-кобальта), полианион (например, фосфат лития-железа) или шпинель (например, оксид лития-марганца).
  • В литий-ионной батарее ионы лития транспортируются к катоду или аноду и от него .

• Электролиз хлорида натрия

  • Хлорид-ионы мигрируют в другую сторону, к аноду .
  • Они отдают свои электроны аноду и окисляются до газообразного хлора:
  • Пузырьки газообразного хлора из расплава над анодом .
  • На аноде (A) хлорид (Cl-) окисляется до хлора.

• Прогнозирование продуктов электролиза

  • Положительно заряженные ионы или катионы движутся к катоду, обеспечивающему электроны, который является отрицательным; отрицательно заряженные ионы или анионы движутся к положительному аноду .
  • Вы могли заметить, что это противоположность гальванического элемента, где анод , отрицательный, а катод положительный.
  • Окисление ионов или нейтральных молекул происходит на аноде , а восстановление ионов или нейтральных молекул происходит на катоде.
  • Например, можно окислить ионы двухвалентного железа до ионов трехвалентного железа на аноде :
  • На положительном аноде металлическая медь окисляется с образованием ионов Cu2 +.

• Сухая батарея

  • Ячейка состоит из внешнего цинкового контейнера, который действует как анод .
  • В нем цинковый кожух действует как анод , окружающий углеродный стержень, который действует как катод.

• Коррозия

  • Проводимость позволяет электронам течь от анода к катодным областям металла.
  • В системе коррозии подверженный коррозии металл действует как анод короткозамкнутой электрохимической ячейки:

Определение, различия, заряды и примеры вопросов

Анод относится к отрицательному или восстанавливающему электроду, откуда электроны попадают во внешнюю цепь и который окисляется во время электрохимической реакции.Катод является положительным или окислительным электродом, который принимает электроны из внешней цепи. Чтобы понять эти темы, нам нужно понять тему электродов, которые являются проводниками электричества, которые могут пропускать ток в неметаллической части цепи.

Читайте также: — Класс 12

Электрохимия

Катод и анод определяются протеканием тока. Это были термины , введенные в 1834 году Уильямом Уэвеллом, , который произошел от греческого слова «Kathodes», что означает «спуск» или «путь вниз».При создании терминов Уильям консультировался с Майклом Фарадеем.

Подробнее: —

Электролитические ячейки и электролиз

Что такое анод?

Анод — это место, через которое в ячейке проходит электричество. Это точка, где происходит окисление. Аноды реагируют и испускают электроны, с помощью которых они могут попасть в цепь управления.

• Если мы возьмем электрохимический элемент или гальванический элемент, мы увидим, что анод отрицательный.В аноде в основном электроны движутся к внешней части цепи. К таким устройствам относятся аккумуляторные элементы и диоды.
• Если мы возьмем электролизер, то увидим, что он положительный. К таким устройствам относятся элементы первичной батареи, вакуумные лампы, электронно-лучевые трубки и осциллографы.

Что такое катод?

Катод — это место, откуда электричество выходит через элемент. Это точка, в которой происходит редукция. Это обычное явление в электрохимической ячейке.

• Из-за разложения химических соединений в элементе катодные результаты имеют отрицательный характер.
• Если мы возьмем электрохимический элемент или гальванический элемент, мы увидим, что катод положительный. В этой ячейке электрическая энергия вырабатывается за счет протекающих в ней химических реакций.
• Это может быть горячий катод или холодный катод.
• Холодные катоды не нагреваются нитью накала, поскольку она испускает больше электронов, чем генерируется только при термоэлектронной эмиссии.
• Горячие катоды нагреваются нитью накала, поскольку она испускает электроны при термоэлектронной эмиссии.

Узнать больше о

Электрохимические ячейки

Различия между анодом и катодом

Ниже приведены ключевые различия между анодом и катодом:

Основа для сравнения 9025	Катод
Определение	Это электрод, в который входит электрический ток.	Это электрод, по которому выходит электрический ток.
Поведение	Он привлекает анионы.	Он притягивает катионы.
Nature	Это источник электрического акцептора.	Источник электрических доноров.
Полярность клемм: электролитическая ячейка	В электролитических ячейках положительный.	В электролитических ячейках он отрицательный.
Полярность клемм: гальванический элемент	В гальванических элементах он отрицательный.	Положительно в гальванических элементах.
Реакция: электролитическая ячейка	Происходит реакция окисления	Происходит реакция восстановления.
Реакция: гальванический элемент	Может стать катодом.	Может стать анодом.

Заряд на катоде и аноде

В катоде наблюдается реакция восстановления по следующим причинам:

• Электроны будут производиться в виде уменьшенных.
• В электроде не хватает электронов.
• Электрод заряжается положительно.

В аноде есть реакция окисления по следующим причинам:

• Электроны будут восстановлены в окисленных частицах.
• Электрон ушел бы с накоплением электронов.
• Электрод заряжается отрицательно.

Подробнее: — Разница между гальваническими элементами и электролитическими элементами

Почему катод отрицательный, а анод положительный?

Поскольку электроны были обнаружены, катод определяется как отрицательный, а анод — как положительный. Катод произошел от греческого слова «катодос». Это греческое слово означает «путь вниз», при котором ток, текущий от положительного к отрицательному, покидает устройство, в котором анод пропускает ток.Катод не всегда бывает положительным или отрицательным. В разряженной батарее он действует как положительный, тогда как в другом элементе он действует как отрицательный. Концепция анода одинакова, поскольку он может действовать как положительно, так и отрицательно, но природа будет зависеть от типа ячейки.

Заряды гальванического элемента на аноде и катоде

В гальваническом элементе окислительно-восстановительные реакции могут происходить внезапно в обоих полуэлементах.

• В катодном электроде происходит восстановление, создавая в нем положительные заряды.
• В анодном электроде происходит окисление, создавая в нем отрицательные заряды.

Что следует помнить на основе анода и катода

• Катод — это отрицательно заряженный электрод.
• Он притягивает катионы или положительные заряды и является источником электронов или донором электронов.
• Анод — это положительно заряженный электрод.
• Анод притягивает электроны или анионы и может быть источником положительного заряда или акцептором электронов.
• Заряд может течь как от положительного к отрицательному, так и от отрицательного к положительному.
• Вот почему анод может быть заряжен положительно или отрицательно в зависимости от ситуации.

Примеры вопросов для анода и катода

Вопрос: катионы положительные или отрицательные? (1 балл)

Ответ: Катион — это положительно заряженный ион или атом, потерявший электрон.

Вопрос: Какие материалы используются для анода и катода? (1 балл)

Ответ: Материалы, которые используются для анода и катода, — это такие металлы, как цинк и литий.

Вопрос: Как определить анод и катод в цепи? (2 балла)

Ответ: Мы можем видеть направление электрического тока в электрической цепи. Путь, по которому проходит электричество, является анодом, а путь, откуда выходит электричество, — катодом.

Вопрос: В общем, каковы признаки катода и анода? (1 балл)

Ответ: В общем, положительный электрод можно определить как катод, а отрицательный электрод можно определить как анод.

Вопрос: Различаются ли признаки катода и анода в электролитических и гальванических элементах? (2 балла)

Ответ: Да, катод положительный, а анод отрицательный в гальванических элементах. Мы также можем утверждать, что катод отрицательный, а анод положительный в электролитических ячейках. Таким образом, знаки анода и катода в обеих ячейках разные.

Вопрос: Что такое анод и катод при коррозии? (1 балл)

Ответ: Во время фазы коррозии железный металл действует как анод в гальванических элементах.Он может окисляться до Fe ²⁺ на катодном электроде. Кислород может превратиться в воду.

Вопрос: Катод светодиодов положительный или отрицательный? (2 балла)

Ответ: Катоды обычно маркируются светодиодами. Он должен быть подключен к полу источника управляющего напряжения. Это должно быть с отрицательной стороны. Также анод должен быть с положительной стороны.

Вопрос: Какой заряд на аноде и катоде? (2 балла)

Ответ: В катоде реакция восстановления происходит по следующим причинам:

• Электроны будут производиться в виде уменьшенных.
• В электроде не хватает электронов.
• Электрод заряжается положительно.

В аноде есть реакция окисления по следующим причинам:

• Электроны будут восстановлены в окисленных частицах.
• Электрон ушел бы с накоплением электронов.
• Электрод заряжается отрицательно.

Вопрос: Различия между катодом и анодом. (4 балла)

Ответ: Разница между катодом и анодом приведена ниже:

Основа сравнения	Анод		Определение	Это электрод, в который входит электрический ток.	Это электрод, по которому выходит электрический ток.
Поведение	Он привлекает анионы.	Он притягивает катионы.
Nature	Это источник электрического акцептора.	Источник электрических доноров.
Полярность клемм: электролитическая ячейка	В электролитических ячейках положительный.	В электролитических ячейках он отрицательный.

Вопросы прошлых лет, основанные на аноде и катоде

Вопрос: Ниже приведены две полуреакции электрохимической ячейки:

MnO ^{— 60}

(водн.) + 8H ⁺ (водн.) + 5e ^— → Mn ²⁺ (водн.) + 4H ₂ O (I), E = 1.51 V

Sn ²⁺ (водн.) → Sn ⁴⁺ (водн.) + 2e ^— , E ° = + 0,15 V.

Напишите уравнение окислительно-восстановительной реакции из двух полуреакций и рассчитайте потенциал ячейки из стандартных потенциалов. Кроме того, предскажите, будет ли реакция предпочтительным реагентом или продуктом. (All India 2010)

Ответ: Реакции на аноде и катоде могут быть представлены следующим образом:

На аноде (окисление):

Sn ²⁺ → Sn ⁴⁺ (водн.) + 2e ^— ] × 5 E ° = + 0.15 В

На катоде (восстановление):

MnO ^— ₄ (водн.) + 8H ⁺ (водн.) + 5e ^— → Mn ²⁺ (водн.) + 4H ₂ O (I)] × 2 E ° = + 1,51 V

Чистая R × M = 2MnO ^— ₄ (вод.) + 16H ⁺ + 5Sn ²⁺ → 2Mn ²⁺ + 5Sn ⁴⁺ + 8H ₂ O

Теперь ячейка E ° = катод E ° — анод E °

= 1,51 — 0,15 = + 1,36 В

∴ Положительное значение ячейки E ° способствует образованию продукта.

Вопрос: а. На катоде во время электролиза водного раствора хлорида серебра происходят следующие реакции:

Ag ⁺ (водный) + e ^{— → Ag (s) E ° = +0,80 В}

H ⁺ (вод.) + E ^— → ½ H ₂ (г) E ° = 0,00 V от их стандартных значений потенциала восстановительного электрода (E °), какая реакция возможна на катоде и почему?

2. Определите предельную молярную проводимость.Почему электропроводность раствора электролита уменьшается с уменьшением концентрации? (Дели 2015)

Ответ: а. На катоде Ag ⁺ (водный) + e ^— → Ag (s)

Здесь реакция возможна, потому что ион Ag ⁺ имеет более высокий восстановительный потенциал, т.е. более высокое значение E °.

2. Предельная молярная проводимость или молярная проводимость раствора при бесконечном разбавлении определяется как сумма катионов и анионов молярной проводимости.

Электропроводность раствора электролита уменьшается при разбавлении, так как количество ионов в единице объема уменьшается.

Электролиз расплавленных солей — Электролиз — OCR Gateway — GCSE Combined Science Revision — OCR Gateway

Электролиты

Электролиты — это ионные соединения, которые могут быть:

В этих условиях ионы в электролитах могут свободно перемещаться в жидкости.

Электролиз — это процесс, при котором электрическая энергия от источника постоянного тока (dc) разлагает (разрушает) электролиты.Свободные ионы в электролитах притягиваются к противоположно заряженным электродам, подключенным к источнику постоянного тока.

Катионы

Отрицательно заряженный электрод при электролизе называется катодом. Положительно заряженные ионы называются катионами. Они движутся к катоду.

Анионы

Положительно заряженный электрод при электролизе называется анодом. Отрицательно заряженные ионы называются анионами. Они движутся к аноду.

Ионы мигрируют (движутся) к противоположно заряженному электроду

Продукты электролиза

Когда ионы достигают электрода, они приобретают или теряют электроны.В результате они образуют атомы или молекулы элементов:

• катионы получают электроны от отрицательно заряженного катода
• анионы теряют электроны на положительно заряженном аноде

Расплавленный бромид свинца, PbBr ₂ (l), является электролит. Во время электролиза:

• Pb ²⁺ ионы приобретают электроны на катоде и становятся атомами Pb
• Br ^{— ионы} теряют электроны на аноде и становятся атомами Br, которые объединяются, образуя Br ₂ молекул

Таким образом, на отрицательном электроде образуется свинец, а на положительном электроде образуется бром.

Свинец и бром образуются во время электролиза расплавленного бромида свинца

Пример

Предскажите продукты электролиза расплавленного хлорида кальция.

Кальций образуется на отрицательном электроде, потому что металлы образуются там из положительно заряженных ионов металлов. Хлор образуется на положительном электроде, потому что неметаллы образуются там из отрицательно заряженных ионов неметаллов.

Во время электролиза расплавленных солей на катоде образуется металл, а на катоде — неметалл. анод.

Вопрос

Предскажите продукты электролиза расплавленного оксида алюминия.

Показать ответ

Алюминий образуется на отрицательном электроде, а кислород образуется на положительном электроде.

Электроды, анод, катод

Дом | Бесплатные практические тесты

Электроды, анод, катод

Электроды — это материалы, которые проводят электричество, которые используются для установления контакта с неметаллической частью цепи, такой в качестве электролит, вакуум или полупроводник.Они позволяют электрическому току быть передается из одной точки в другую, например, от источника питания к устройству, например напольная лампа.

Электроды обычно изготавливаются из металлов, таких как серебро, свинец, медь и цинк. Они также сделаны из некоторых неметаллов, которые проводят электричество, например, графит и ртуть. Они сделаны в разных формы и формы, включая стержень, столб, проволоку и пластину.

В электрохимический в ячейке используются два вида электродов. Это анод и катод.

Анод — это электрод, в котором отрицательные ионы или анионы в клетке мигрируют в. Отрицательные ионы здесь теряют электроны и происходит окисление. Таким образом, анод определяется как электрод, в котором электроны или ток покидают ячейку.

Катод — это электрод, в котором катионы или положительные ионы в растворе мигрируют в. Здесь они приобретают электроны и становятся восстановленный (здесь происходит реакция восстановления). Следовательно, катод может быть определяется как электрод, через который электроны или ток входят в ячейку.

Любой из электродов может быть анодом или катодом в электрохимическая ячейка в зависимости от направления протекания тока.

В электролитический ячейка, где на ячейку подается внешний источник питания, катод отрицательный электрод, через который электроны или ток входят в ячейку. В отрицательно заряженный катод отдает электроны катионам, которые восстанавливаются. Анод с другой стороны становится положительным электродом.

Однако в гальванических или гальванических элементах или шахтных батареях, где электрическая энергия вырабатывается из химических веществ, анод становится отрицательный электрод, а катод положительный.

Тип используемого электрода:

Иногда характер используемого электрода может определять ионы, высвобождаемые в процессе электролиза.

Пример, учитывая электролиз натрия раствор хлорида с использованием отдельно платины и ртутный катод. Используя платиновый катод, H ⁺ выгружается предпочтительно на Na ⁺ в соответствии с положение их ионов в электрохимический ряд — таким образом, газообразный водород производится на катоде.

Но если ртуть катод, Na ⁺ будет разряжаться вместо H ⁺ , чтобы образовать смесь ртути и натрий, называемый амальгамой натрия, Na / Hg. Преимущественный сброс Na ⁺ связан с тот факт, что используется меньше энергии, по сравнению с с выделением H ⁺ при ртути катод.

Нравится Эта почта? Поделись, пожалуйста!!!

13.4 Процессы в электрохимических ячейках | Электрохимические реакции

Дайте катодную половинную реакцию.

Катод написан справа, следовательно, марганец катод.{-}\) \(\к\) \ (\ text {Mn} (\ text {s}) \)

Дайте анодной полуреакции.

Анод написан слева, поэтому магний — это анод.{-} \)

Приведите общее уравнение электрохимической ячейки.

Заряд двух половинных реакций уравновешен. {2 +} (\ text {aq}) + \ text {Mn} (\ text {s}) \)

Какие металлы можно использовать для электродов в этом электрохимическая ячейка?

Металлический магний и металлический марганец

Предложите два электролита для этой электрохимической ячейки.

Сульфат магния и сульфат марганца или нитрат магния и нитрат марганца

В каком направлении будет течь ток?

Твердое тело \ (\ text {Mg} \) окисляется с образованием \ (\ text {Mg} ^ {2 +} \) ионы на аноде.{2 +} \) ионы приводятся к форме \ (\ text {Mn} (\ text {s}) \) на катоде. Это делает катод положительный.

Электронный поток идет от отрицательного к положительному, поэтому от анода к катоду. Обычный ток в обратном направление (от катода к аноду).

Следовательно, условный ток идет от марганцевой пластины к пластина магния.

Нарисуйте простой эскиз всей ячейки.

Химия батарей и элементов

Cell Chemistries

Как работают клетки

Гальваническое действие

Говоря простым языком, аккумуляторы можно рассматривать как электронные насосы.В внутренняя химическая реакция внутри батареи между электролитом и отрицательный металлический электрод производит накопление свободных электронов, каждый с отрицательным зарядом, на батарее. отрицательная (-) клемма — анод. Химическая реакция между электролитом и положительный (+) электрод внутри батареи производит избыток положительных (+) ионов (атомы, у которых отсутствуют электроны, следовательно, с чистым положительным зарядом) при положительная (+) клемма — катод АКБ.Электрический (насос) давление или разность потенциалов между клеммами + и — называется напряжением или электродвижущей силой (ЭДС).

Разное металлы имеют различное сродство к электронам. Когда два непохожих металлы (или соединения металлов) контактируют или соединяются через в проводящей среде электроны имеют тенденцию уходить из металл с меньшим сродством к электронам, который становится положительно заряжен, к металлу с большим сродством, который становится отрицательно заряженный.Разница потенциалов между металлами будет поэтому наращивайте до тех пор, пока он не уравновесит тенденцию электрона передача между металлами. В этот момент «равновесный потенциал» это то, что уравновешивает разницу между склонностями двух металлы, чтобы получить или потерять электроны.

А батарея или гальванический элемент хранит энергию в химической форме в своей активной материалы и может ли это преобразовать это в электрическую энергию по запросу, обычно с помощью электрохимического окисления-восстановления (окислительно-восстановительного) реакция.(Обратите внимание, что общее название «окислительно-восстановительный потенциал», похоже, было приспособлен недавней конструкцией проточной батареи с использованием двух ванадиевых окислительно-восстановительные пары).

Каждая гальваническая или энергетическая ячейка состоит как минимум из трех, а иногда и из четырех компонентов

1. Анод или отрицательный электрод (восстановительный или топливный электрод), который отказывает электронов во внешнюю цепь и окисляется во время электрохимическая (разрядная) реакция.Обычно это металл или сплав, но также используется водород. Анодный процесс — это окисление металл с образованием ионов металла.

   (LEO теряют электроны — окисление)

2. Катод или положительный электрод (окисляющий электрод), который принимает электроны от внешнего контура и уменьшается во время электрохимического (разрядка) реакция.Обычно это оксид металла или сульфид, но кислород также используется. Катодный процесс — это восстановление оксида оставить металл.
   (GER усиление электронов — уменьшение). Помните мнемоническое рычание льва.
3. Электролит (ионный проводник), который обеспечивает среду для передачи заряда в виде ионов внутри ячейки между анодом и катодом. Электролит обычно представляет собой растворитель, содержащий растворенные химические вещества, обеспечивающие ионную проводимость.Он должен быть непроводником электронов, чтобы избежать разряд ячейки.
4. Разделитель , который электрически изолирует положительный и отрицательный электроды.

Процесс разгрузки

Когда аккумулятор полностью заряжен, на нем избыток электронов. анод дает ему отрицательный заряд и дефицит на катоде дает это положительный заряд, приводящий к разности потенциалов на клетка.

Когда цепь завершена избыточные электроны текут во внешнюю цепь из отрицательно заряженный анод, который теряет весь свой заряд в пользу положительно заряженного катод, который принимает его, нейтрализуя его положительный заряд. Это действие уменьшает разность потенциалов на ячейке до нуля. Схема завершается или уравновешивается потоком положительных ионов в электролит от анода до катода.

С электроны заряжены отрицательно, электрический ток, который они представляют потоки в обратном направлении от катода (положительный клемма) к аноду (отрицательная клемма).

Две системы электролита

Принципы работы гальванического элемента можно продемонстрировать на работе элемента Даниэля, системы с двумя электролитами.

КАТОД	DANIELL CELL	АНОД
плюс полюс батареи		Отрицательный полюс аккумулятора
		Цинк теряет электроны быстрее, чем медь
Принимает электроны от внешней цепи		Поставляет электроны во внешнюю цепь
Отложения металлической меди на катоде		Цинк переходит в водный раствор
Сайт Редукция		Участок окисления
Полуячейка с наивысшим потенциалом электрода		Полуячейка с наименьшим потенциалом электрода
GER		LEO

Две системы первичных ячеек с электролитом существуют с 1836 года, когда была изобретена ячейка Даниэля для преодоления проблем поляризации.Эта компоновка показывает, что фактически имеются две полуэлементы , в которых происходят химические воздействия. Каждый электрод погружен в другой электролит, с которым он реагирует. Потенциал электрода , положительное или отрицательное, это напряжение, развиваемое одиночным электрод. Электролиты отделены друг от друга солевым мостиком или пористой мембраной который нейтрален и не принимает участия в реакции. В процессе осмоса, он пропускает ионы сульфата, но блокирует металлический ионы.

Эта схема с двумя электролитами дает больше степеней свободы или контроля над химическим процессом.

Хотя более сложные эти клетки позволили построить клетки с более длительным сроком жизни оптимизация комбинации электролит / электрод отдельно на каждом электрод.

Совсем недавно они были использованы в качестве основы для проточных батарей, в которых электролиты прокачиваются через батарею, обеспечивая практически неограниченную емкость.

Цинк — очень популярный анодный материал, и указанное выше химическое воздействие приводит к его растворению в электролите.

Можно сказать, что показанный элемент Даниэля «сжигает цинк и осаждает медь»

Примечание- Простая ячейка с одним электролитом также может быть представлена ​​двумя половинными клетки. Это можно рассматривать как частный случай ячейки Даниэля с два электролита одинаковы.

The модель ячейки в виде двух полуячейков используется электрохимиками и ячейкой проектировщиков для расчета электродных потенциалов и определения характеристик химические реакции внутри клетки. Напряжение ячейки или электродвижущая сила (ЭДС) для внешнего тока, производимого от ячейки, — это разница в стандартные электродные потенциалы двух реакций полуэлементов при стандартные условия. Но настоящие гальванические элементы обычно отличаются от стандартные условия.Уравнение Нернста связывает фактическое напряжение химической ячейки со стандартным электродом потенциалы с учетом температуры и концентраций реагентов и продуктов. ЭДС ячейки будет уменьшаться по мере того, как концентрация активных химикатов уменьшается по мере их использования пока один из химикатов полностью не иссякнет.

Теоретическая энергия, доступная из ячейки, может быть рассчитана с использованием уравнения для свободной энергии Гиббса для начального и конечного состояний равновесия.

К счастью такое глубокое знание химии клетки и термодинамики не является обычно требуется инженером по применению аккумуляторов.

Первичные элементы

В В первичных ячейках эта электрохимическая реакция необратима. В течение выгрузка химических соединений постоянно меняется и электрическая энергия высвобождается до тех пор, пока исходные соединения не станут полностью истощен.Таким образом, ячейки можно использовать только один раз.

Вторичные элементы

В вторичных ячеек эта электрохимическая реакция обратима и исходные химические соединения могут быть восстановлены путем применения электрический потенциал между электродами, инжектирующий энергию в сотовый. Такие элементы можно многократно разряжать и перезаряжать.

	Аккумуляторная батарея Action

Процесс зарядки

The зарядное устройство снимает электроны с катода, оставляя его с сеткой положительный заряд и заставляет их на аноде, давая ему отрицательный плата.Энергия, закачиваемая в клетку, преобразует активные химические вещества. вернуться в исходное состояние.

Выбор активных химикатов

The напряжение и ток, генерируемые гальваническим элементом, напрямую связаны с типы материалов, используемых в электродах и электролите.

Склонность отдельного металла или металлического соединения к выигрышу или проигрышу электроны по отношению к другому материалу известны как его электрод потенциал.Таким образом, сильные стороны окислителей и восстановителей равны обозначены их стандартными потенциалами электродов. Соединения с потенциал положительного электрода используется для анодов и анодов с потенциал отрицательного электрода для катодов. Чем больше разница между электродными потенциалами анода и катода, тем больше ЭДС клетки и большее количество энергии, которое может быть производится клеткой.

Электрохимическая серия список или таблица металлических элементов или ионов, упорядоченных в соответствии с их электродные потенциалы.Порядок показывает тенденцию одного металла для восстановления ионов любого другого металла в ряду ниже него.

Образец из таблицы стандартных потенциалов показывает крайние значения из таблицы.

	Сила окислителей и восстановителей
Катод (восстановительный) Половина реакции Стандартный потенциал E (вольт) Li + (водн.) + E — -> Li (s) -3.04 К + (водн.) + Е — -> К (т) -2,92 Ca 2+ (водн.) + 2e — -> Ca (s) -2,76 Na + (водн.) + E — -> Na (s) -2.71 Zn 2+ (водн.) + 2e — -> Zn (s) -0,76 Cu 2+ (водн.) + 2e — -> Cu (s) 0,34 O 3 (г) + 2H + (водн.) + 2e — -> O 2 (г) + H 2 O (л) 2.07 F 2 (г) + 2e — -> 2F — (водн.) 2,87

The значения для записей в таблице являются потенциалами восстановления, поэтому литий при верхняя часть списка имеет самое отрицательное число, что указывает на то, что это сильнейший восстановитель.Самый сильный окислитель — фтор. с наибольшим положительным числом для стандартного потенциала электрода.

The В таблице ниже показаны некоторые общие химические вещества, используемые для электродов батареи. расположены в порядке их относительных электродных потенциалов.

	Материалы анода				Материалы катода
(отрицательные клеммы)				(положительные выводы)
НАИЛУЧШИЕ — самые отрицательные				НАИЛУЧШИЕ Самые положительные
Литий				Феррат
Магний				Оксид железа
Алюминий				Оксид меди
цинк				Йодат
Хром				Оксид меди
Утюг				Оксид ртути
Никель				Оксид кобальта
Олово				Диоксид марганца
Свинец				Диоксид свинца
Водород				Оксид серебра
Медь				Кислород
Серебро				Оксигидроксид никеля
Палладий				Диоксид никеля
Меркурий				Перекись серебра
Платина				Перманганат
Золото				Бромат
НАИМЕНЕЕ Наименьшее отрицательное значение				НАИМЕНЕЕ Наименьшее положительное

Ячейки использование водных (содержащих воду) электролитов ограничено по напряжению до менее 2 вольт, потому что кислород и водород в воде диссоциировать в присутствии напряжений выше этого напряжения.Литий батареи (см. ниже), в которых используются неводные электролиты, не имеют Эта проблема доступна для напряжений от 2,7 до 3,7 В. Однако использование неводных электролитов приводит к тому, что эти клетки имеющий относительно высокий внутренний импеданс.

Альтернативные химические реакции

Совсем недавно был разработан новый химический состав клеток с использованием химических реакций, альтернативных традиционной окислительно-восстановительной схеме.

Металлогидридные элементы

Металл химический состав гидридных клеток зависит от способности некоторых металлов поглощать большое количество водорода. Эти металлические сплавы, называемые гидридами, может обеспечить накопитель водорода, который может обратимо реагировать в химия аккумуляторных элементов. Такие металлы или сплавы используются для негативных Электроды. Положительный электрод — гидроксид никеля, как в NiCad. батареи.Электролит, который также является водным абсорбентом водорода. раствор, такой как гидроксид калия, не принимает участия в реакции, но служит для транспортировки водорода между электродами.

Литий-ионные элементы

Скорее чем традиционное окислительно-восстановительное гальваническое действие, литий-ионный вторичный элемент химия зависит от механизма «интеркаляции». Это включает внедрение ионов лития в кристаллическую решетку матрицы электрод без изменения его кристаллической структуры.Эти электроды имеют два ключевых свойства

1. Открытые кристаллические структуры, позволяющие вводить или извлекать ионы лития
2. Возможность одновременного приема компенсирующих электронов

Такие электроды называются хозяевами интеркаляции.

В типичный литиевый элемент, анод или отрицательный электрод основан на Углерод и катод или положительный электрод изготовлены из лития. Диоксид кобальта или диоксид марганца лития.(Другие химические вещества также возможно)

Поскольку литий реагирует сильно с водой, электролит состоит из неводных органических солей лития и действует исключительно как проводящая среда и не принимают участие в химическом действии, а так как вода не участвует в химическое действие, выделение водорода и кислорода, как в многие другие батареи также исключены.

Во время разряда ионы лития диссоциируют от анода и мигрируют через электролит и вставлены в кристаллическую структуру соединение-хозяин.В то же время компенсирующие электроны перемещаются во внешней цепи и принимаются хостом для балансировки реакция.

Процесс полностью обратимый. Таким образом, ионы лития проходят между электроды во время зарядки и разрядки. Это привело к названия «Кресло-качалка», «Качели» или «Волан» для литиевых элементов. ионные батареи.

Варианты по литиевой технологии также используются в первичных элементах, которые были изначально разрабатывался для космического и военного применения.Это включает Литий-тионилхлорид и литий-диоксид серы, которые использовать реактивные электролиты и жидкие катоды для получения более высокой энергии и плотности мощности.

Альтернативные химические соединения — Особые ароматизаторы

Проектирование лучший аккумулятор — это не просто вопрос выбора пары элементов с большей разницей электродных потенциалов существует множество других факторы, которые вступают в игру.Это могут быть: наличие и стоимость сырье, стабильность или безопасность химической смеси, технологичность комплектующих, обратимость электрохимическая реакция, проводимость компонентов, рабочие температурный диапазон и вполне возможно желание обойти некоторые другой патент производителя. Все эти соображения приводят к использовать ограниченный набор основных химикатов, но с более широким разнообразием составы запатентованных материалов.

Больше годы был разработан широкий спектр химикатов клеток и добавок. разработан для оптимизации производительности ячеек для различных приложений.

Альтернатива активные соединения могут быть заменены для увеличения плотности энергии (см. ниже), увеличьте ток, уменьшите внутренний импеданс, уменьшить саморазряд, увеличить напряжение на клеммах, улучшить кулоновский КПД или снижение затрат.

Дополнительный соединения могут быть включены для изменения поведения активного составы для увеличения срока службы, для предотвращения коррозии или утечки, для контролировать поляризацию или повысить безопасность.Они могут включать катализаторы, которые можно использовать для промотирования или ускорения желаемого химического такие действия, как рекомбинация активных химических веществ в запечатанных ячейках. Они также могут включать ингибиторы, которые могут быть добавлены для замедления или предотвращать нежелательные физические или химические воздействия, такие как образование дендриты.

Добавлено к диапазону доступного химического состава клеток относятся разные клетки емкости и физические конструкции ячеек, батареи Таким образом, у прикладного инженера есть множество вариантов, от которых выбирать.

Плотность энергии

The плотность энергии — это мера количества энергии на единицу веса или на единицу объема, который может храниться в батарее. Таким образом, для данного вес или объем, химия ячейки с более высокой плотностью энергии будет хранить больше энергия или, альтернативно, для данной емкости хранения более высокая энергия ячейка плотности будет меньше и легче. На диаграмме ниже показаны некоторые типичные примеры.

Относительная плотность энергии некоторых общепринятых химических составов вторичных ячеек

В как правило, более высокая плотность энергии достигается за счет использования более реактивных химикаты. Обратной стороной является то, что более химически активные химические вещества имеют тенденцию быть нестабильно и может потребовать особых мер безопасности. Плотность энергии также зависит от качества активного материалы, используемые в конструкции ячейки, с примесями, ограничивающими ячейку возможности, которые могут быть достигнуты.Вот почему клетки из разных производители с аналогичным химическим составом ячеек и аналогичной конструкцией могут иметь другое энергосодержание и разрядные характеристики.

Примечание что часто бывает разница между цилиндрической и призматической клетки. Это связано с тем, что указанная плотность энергии обычно не относится к только химическим веществам, но всей клетке, принимая во внимание материалы корпуса ячеек и соединений. Таким образом, плотность энергии зависит или ограничивается практичностью построения клеток.

Поставка основных химических элементов

Обеспокоены наличием экзотических химикатов и влиянием будущего спроса на цены?

График ниже показывает относительное содержание химических элементов в земной коре.

Источник — Информационный бюллетень Геологической службы США 087-02

Примечание. Из приведенной выше таблицы лития в 20–100 раз больше. больше, чем свинец и никель.Причина, по которой это менее распространено, заключается в том, что Литий, будучи гораздо более активным, чем любой другой металл, обычно находится в свободном состоянии, но сочетается с другими элементами. К контраст. Свинец, обладающий меньшей реактивностью, чаще встречается в свободном состоянии. и его легче извлекать и очищать. Тяжелые металлы Кадмий и Ртуть, использование которой в настоящее время не рекомендуется из-за их токсичности, составляет 1000 раз реже лития.

Токсичность лития

В если вы задались вопросом, были ли какие-либо токсические эффекты, связанные с Литий, утверждают, что литий, напротив, обладает терапевтическими свойствами. преимущества.Безалкогольный напиток «7Up» появился на свет в 1929 году, за два месяца до этого. крах на Уолл-стрит, с запоминающимся названием «Bib Label Lithiated» Лимонно-лаймовая сода ».« 7Up »содержала цитрат лития до 1950 года, когда она была переформулирована, как говорят некоторые из-за связи лития с умственными болезнь. Литий в форме карбоната лития с 1940-х гг. успешно использовался при лечении психических расстройств, в частности маниакальная депрессия. Однако, как и в случае с большинством химикатов, небольшие дозы могут быть безопасно или терапевтически, но слишком много может быть фатальным.

Сделайте аккумулятор дома или в школе

См. В разделе «Домашние батареи» инструкции о том, как сделать батарею из простых материалов, доступных в домашних условиях.

Практическая химия клеток

Некоторые описаны наиболее распространенные химические составы клеток и их применение для чего они подходят, если вы перейдете по ссылкам ниже: —

Первичные элементы

Вторичные элементы

Необычные батареи

Сравнительная таблица химического состава клеток

Альтернативные методы производства и хранения энергии

О компании Аккумуляторы
Гэри Л.Бертран
Профессор химии
Университет Миссури-Ролла
Моделирование Вернуться к началу

Батарея состоит из одного или нескольких электрохимических элементов. Каждая ячейка содержит два металлических электрода и как минимум один раствор электролита. (раствор, содержащий ионы, которые могут проводить электричество). Батарея действует посредством электрохимических реакций, называемых окислением и восстановлением. Эти реакции включают обмен электронами между химическими частицами.Если химическое соединение теряет один или несколько электронов, это называется окислением. Противоположный процесс — усиление электронов — называется редукцией.

Окисление происходит на аноде.

Восстановление происходит на катоде.

Если реактивные компоненты электрохимические ячейки контактируют друг с другом, они будут реагируют прямым переносом электронов ( окисление — реакция восстановления) и там невозможно использовать эту энергию для выполнения электромонтажных работ.Большинство из энергия реакции выделяется в виде тепла. Выделяемое тепло тесно связан со стандартным изменением энтальпии (дельта-Н °) реакции.

В большинстве аккумуляторов используются разные материалы. два электрода, так что они хотят реагировать с одним материалом, окисляется, а другой восстанавливается. В ячейке ниже цинк используется для электрода слева (анод), контактирующего с раствором ионов цинка (II), возможно, раствор Цинк Нитрат.Медь используется для электрод справа (Катод) в контакте с раствором, содержащим Медь (II) ионы, возможно Нитрат меди. Разделяя материалы, электроны, производимые окисление на аноде может быть использовано для выполнения электрических работ в том виде, в котором они переносятся на катод, где они будут потребляться восстановлением процесс. Количество электромонтажных работ, которые может произвести аккумулятор. тесно связано со стандартным изменением свободной энергии (дельта-G °) реакции.

Однако процесс окисления дает положительный ионов или удаляет отрицательные ионы из раствора на аноде (или это может заменить один ион на более положительный), и процесс восстановления либо удаляет положительные ионы или производит отрицательные ионы в растворе на катод. В результате получаются электрически заряженные растворы, и очень быстро останавливает процесс до того, как будет перенесено измеримое количество электронов.

Между ионами должен быть путь два решения, чтобы электроны могли непрерывно течь через провод. Это создает «ионный ток» внутри аккумулятор с катионами (положительно — заряженный ионы) движутся от анода к катоду, а анионы (отрицательно заряженные ионы) движутся от катода к аноду.

Этот путь может быть обеспечен двумя решениями контактируют друг с другом, но это позволяет диффузию всех ионов и довольно быстро «разряжает» аккумулятор.Это распространение может быть замедляется за счет разделения растворов мембраной или пористой пробкой. Все это может привести к «потенциалу жидкого перехода». из-за различной скорости движения катионов и анионов. Соль мост »можно использовать для разделения двух растворов с помощью третьего концентрированного раствор хорошо подобранных катионов и анионов, полностью устраняя «потенциал жидкого перехода». В несколько корпусов, можно сконструировать батарею так, чтобы оба электрода могли быть помещен в тот же контейнер только с одним раствором.

*********************************************** *

Напряжение ячейки может зависеть от многих факторов: материалы электродов, компоненты и концентрации растворов, тип жидкостного перехода, температура и давление. В Напряжение также зависит от электрического тока, протекающего из ячейки. Напряжение (E) и ток (I) связаны с сопротивлением (R) через Закон Ома: E = IR Ток напрямую связан к скорости, с которой электроны прокачиваются через провод и любые сопротивления в цепи.Когда сопротивление понижается до нуля (короткое замыкание), ток увеличивается, а напряжение ячейки уменьшается до нуля. В качестве сопротивление увеличивается, ток уменьшается, а напряжение увеличивается к предельному значению. В химии, нас в первую очередь интересует это предельное значение, максимальное напряжение что может доставить электрохимический элемент. Этот максимум напряжение или электрохимический потенциал — это мера максимума электромонтажные работы, которые можно получить от химическая реакция, происходящая внутри клетки, и это может быть связано к свободной энергии Гиббса Изменения, связанные с химической реакцией.

Прежде чем мы закончим обсуждение, обсудим термодинамику. аккумуляторов, нам необходимо устранить влияние концентрации на напряжение ячейки. Это может быть несколько сложным и запутанным. Мы собираемся избежать этих проблем, сосредоточив внимание на ячейках с очень специфическим тип химической реакции.

*********************************************** *

В ячейке выше электроны производятся свинцом. металл окисляется до ионов свинца (II), а ионы меди (II) восстанавливаются к металлической меди.Даже если ионы движутся через границу между в растворах наблюдается увеличение концентрации ионов свинца на слева и уменьшение ионов меди справа. Это вызывает напряжение батареи уменьшится, и в конечном итоге напряжение будет уменьшаются до нуля. Некоторые батареи рассчитаны на перезарядку. заставляя электроны течь назад через ячейку, обращая химическая реакция.

Уравнение Нернста описывает влияние концентраций на максимальное напряжение, которое реакция может быть произведена путем соотнесения напряжения со стандартом Электрохимический потенциал (E °).Этот стандарт Электрохимический потенциал представляет собой максимальное напряжение реакции может производить со всеми стандартными компонентами состояниях или при единичной деятельности.

*********************************************** *

Остальная часть этого обсуждения будет касаться с электрохимическими ячейками, не предполагающими изменения концентраций ионов или газов. В этих ячейках Стандарт Электрохимический потенциал можно измерить напрямую.

Один из способов сделать это — использовать металл / металл. Солевые электроды, которые получают путем покрытия металла одним его нерастворимых солей (или оксида), как в Silver / Silver Хлорид, свинец / сульфат свинца или ртуть / ртуть Хлоридные (каломелевые) электроды. Эти обычно являются твердым металлом и твердой солью, хотя в случае ртути металл — чистая жидкость. Электрический контакт обычно осуществляется через платиновую проволоку, контактирующую с ртуть.

Эта ячейка сконструирована из свинца / свинца Сульфатный анод и серебро / сульфат серебра катод, оба в растворе сульфата натрия. Два раствора разделены анионным обменом. мембрана, позволяющая проходить через нее отрицательно заряженным ионам, но положительно заряженные ионы не могут. Напряжение этой ячейки все еще зависит от тока, протекающего от него, и от температуры. Однако при любой фиксированной температуре максимальное напряжение (при очень малом токе) не зависит от концентрации электролита и равна Стандартный электрохимический потенциал для это реакция.

верх

.