Электрохимические процессы

Москва 2024
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
Университет науки и технологий МИСИС
ИНСТИТУТ БАЗОВОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Кафедра общей и неорганической химии
И.В. Пестряк 
В.В. Морозов 
Ю.А. Гордей
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ 
ПРОЦЕССЫ
Учебное пособие
Рекомендовано редакционно-издательским  
советом университета
№ 4475

УДК 544.6 
 
П28
Р е ц е н з е н т 
д-р техн. наук, доц., профессор кафедры цветных металлов и золота 
института ЭкоТех НИТУ МИСИС Е.В. Богатырева
Пестряк, Ирина Васильевна.
П28  
Электрохимические процессы : учеб. пособие / И.В. Пестряк, В.В. Морозов, Ю.А. Гордей. – Москва : Издательский Дом НИТУ МИСИС, 2024. – 114 с.
ISBN  978-5-907833-02-9
В учебном пособии приведены основные понятия и изложены 
закономерности теоретической электрохимии, описаны основные 
процессы прикладной электрохимии. Особое внимание уделяется 
строгому использованию основных электрохимических понятий, 
терминов и величин. Каждый раздел начинается с краткого изложения теоретического материала, за  которым следуют примеры 
решения типовых задач и задачи для самостоятельного решения. 
В приложениях приводится необходимая для решения задач справочная информация.
Может быть рекомендовано как для использования в ходе практических занятий, так и для самостоятельной подготовки студентов при изучении курса химии.
УДК  544.6
Пестряк И.В, 
Морозов В.В., 
Гордей Ю.А., 2024
ISBN  978-5-907833-02-9
НИТУ МИСИС, 2024

СОДЕРЖАНИЕ
1.  Теоретические основы электрохимии............................6
2.  Химическое действие тока. Законы Фарадея............... 11
2.1.  Электролиз........................................................... 11
2.2.  Возможные случаи отклонений от законов................ 13
Задачи для самостоятельного решения к разделу  2........... 15
3.  Электропроводность электролитов............................. 16
Задачи для самостоятельного решения к разделу  3........... 18
4.  Основы теоретической электрохимии......................... 19
4.1.  Основы электрохимической термодинамики.............. 19
4.1.1.  Электродвижущая сила (ЭДС)................................19
4.1.2.  Термодинамические функции в электрохимических 
системах.......................................................................20
4.1.3.  Зависимость ЭДС от концентрации 
потенциалопределяющих ионов, уравнение Нернста...........24
Задачи для самостоятельного решения к подразделу  4.1.... 26
4.2.  Электродный потенциал......................................... 28
4.2.1.  Понятие электродного потенциала..........................28
4.2.2.  Водородная шкала электродных потенциалов...........29
Задачи для самостоятельного решения к подразделу  4.2.... 32
4.3.  Классификация электродов..................................... 33
4.3.1.  Электроды первого рода.........................................33
4.3.2.  Электроды второго рода.........................................35
4.3.3.  Газовые электроды...............................................36
4.3.4.  Окислительно-восстановительные электроды...........37
Задачи для самостоятельного решения к подразделу  4.3.... 38
4.4.  Виды электрохимических цепей.............................. 38
4.4.1.  Классификация и устройство электрохимических 
цепей...........................................................................38
4.4.2.  Физические цепи..................................................40
4.4.3.  Концентрационные цепи.......................................43
4.4.4.  Химические цепи.................................................45
Задачи для самостоятельного решения к подразделу  4.4.... 49
4.5.  Основы электрохимической кинетики...................... 50

4.5.1.  Основные понятия электрохимической кинетики.....50
4.5.2.  Концентрационная поляризация. Диффузионное 
перенапряжение............................................................52
4.5.3.  Активационная поляризация. Электрохимическое 
перенапряжение............................................................56
Задачи для самостоятельного решения к подразделу  4.5.... 58
5.  Основы прикладной электрохимии............................. 60
5.1.  Химические источники тока................................... 60
5.1.1.  Основные понятия и принципы работы источников 
тока.............................................................................60
5.1.2.  Первичные источники тока....................................62
5.1.3.  Вторичные источники тока....................................64
5.1.4.  Топливные элементы............................................66
Задачи для самостоятельного решения к подразделу  5.1.... 67
5.2.  Гальванотехника................................................... 68
5.2.1.  Введение в гальванотехнику..................................68
5.2.2.  Гальваностегия....................................................71
5.2.3.  Гальванопластика.................................................71
Задачи для самостоятельного решения к подразделу  5.2.... 72
5.3.  Анодная обработка металлов................................... 73
Задачи для самоcтоятельного решения к подразделу  5.3.... 74
5.4.  Электролитическое производство химических 
продуктов.................................................................... 75
5.4.1.  Основные принципы электрохимических 
технологий синтеза химических веществ...........................75
5.4.2.  Электролиз воды и получение перекиси водорода......77
Задания для самостоятельной работы к подразделу  5.4..... 78
5.5.  Электрометаллургия.............................................. 79
5.5.1.  Основные понятия электрометаллургии...................79
5.5.2.  Электролитическое рафинирование меди.................80
5.5.3.  Получение золота по методу Багратиона..................81
5.5.4.  Электролиз расплавов. Получение алюминия...........82
Задачи для самостоятельного решения к подразделу  5.5.... 84
5.6.  Борьба с коррозией металлов................................... 84
5.6.1.  Виды коррозии.....................................................84
5.6.2.  Механизм коррозионного процесса.........................85

5.6.3.  Кинетические закономерности коррозионных 
процессов......................................................................87
5.6.4.  Методы защиты металлов от коррозии.....................88
Задачи для самостоятельного решения к подразделу  5.6.... 93
5.7.  Электрохимическая очистка сточных вод.................. 94
5.7.1.  Метод электролиза на объемно-пористых 
 электродах...................................................................95
5.7.2.  Метод электродиализа...........................................95
5.7.3.  Метод электрокоагуляции и гальванокоагуляции.....96
5.7.4.  Метод электрофлотации........................................98
Задачи для самостоятельного решения к подразделу  5.7.... 99
5.8.  Хемотроника........................................................100
Задачи для самостоятельного решения к подразделу  5.8....103
Библиографический список......................................... 104
Приложение  1.  Стандартные электродные потенциалы 
в водных растворах при 25 °С....................................... 105
Приложение  2.  Периодическая таблица химических 
элементов имени Д.И. Менделеева................................ 112

1.  ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
ЭЛЕКТРОХИМИИ
Электрохимия представляет собой раздел химии, в котором изучаются законы взаимного превращения химической 
и электрической энергии, а также системы, в которых это превращение совершается. Электрохимия изучает также процессы и явления на границе раздела фаз с участием заряженных 
частиц  – ионов и  электронов. Электрохимические системы 
рассматриваются как  в  равновесных условиях в  отсутствие 
электрического тока (или при протекании бесконечно малого 
тока), так и в неравновесных условиях при прохождении тока 
измеряемых значений. Характерной особенностью электрохимических систем является то, что окислительно-восстановительные реакции (ОВР) в них протекают раздельно: окислительный процесс – на аноде, восстановительный – на катоде. 
Большое значение имеют понятия о строении приэлектродного слоя, а также теория поляризации электрода.
Анод – электрод гальванического элемента или электролизера, на котором протекает реакция окисления компонентов электрохимической системы. В гальваническом элементе 
анод имеет отрицательный заряд вследствие окисления реагентов, например:
2
Zn
Zn
2 .
e
+
=
+
В  электролизере анодом называют положительный электрод. Окисление реагентов протекает под действием внешнего 
источника тока. Для растворимого анода типична реакция
M
M
.
n
ne
+
=
+
На инертном материале анода протекает разряд анионов 
и другие окислительные процессы, например
–
2
2Cl
Cl
2 .
e
=

Часть электролита, примыкающая к  аноду, называется 
анолитом.
Двойной электрический слой (ДЭС) создается электрическими зарядами, находящимися на  электроде, и  ионами 
противоположного заряда (противоионами), ориентированными в растворе у поверхности электрода. Количественной 
характеристикой ДЭС является его электрическая емкость 
(C, Ф) – физическая величина, равная отношению плотности 
заряда в ДЭС (e, Кл/см2) к изменению его потенциала (j, В); 
1 Кл/В = 1 Ф.
Катод – электрод гальванического элемента или электролизера, на котором протекает реакция восстановления компонентов электрохимической системы. В  гальваническом элементе катод имеет положительный заряд, и на нем протекает 
процесс восстановления, например
2
Cu
2
Cu.
e
+ +
=
В электролизере катодом называют отрицательный электрод. На катодах из различных металлов, в щелочной среде 
наряду с восстановлением металла по реакции
M
M
n
ne
+ +
=
протекает реакция восстановления воды:
–
2
2
2H O
2
H
2OH ,
e
+
=
+
поскольку ей соответствует более низкий потенциал выделения (j0 = –0,82 В).
Количество вещества системы (n, моль)  – физическая 
величина, определяемая числом структурных элементов, содержащихся в системе.
Количество электричества (Q, Кл). Кулон равен количеству электричества, проходящему сквозь поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с.

Молярная концентрация эквивалентов вещества (нормальность) (N, моль-экв/л) равна отношению количества эквивалентов вещества nэкв к объему раствора V:
экв
экв
,
n
m
m z
N
V
M
V
M V
⋅
=
=
=
⋅
⋅
где m – масса вещества, г;
	
М – молярная масса вещества, г/моль;
	
Mэкв – это молярная масса эквивалента вещества, г/мольэкв;
	
z – эквивалентное число.
Молярная электропроводность (l, см2/(Ом⋅моль)) представляет собой электропроводность объема раствора, содержащего 1  моль растворенного вещества, который заключен 
между параллельными электродами, находящимися на расстоянии 1 см. Молярная электропроводность равна
1· 000,
с
s⋅
l =
где с – молярность раствора.
Напряжение гальванического элемента (ЭДС или Е, В) – 
это предельное значение разности электродных потенциалов 
(напряжений) элемента при токе через элемент, стремящемся к нулю. Количественно ЭДС равно отношению максимальной электрической работы (Wэ), совершаемой при перемещении положительного заряда вдоль всей электрической цепи, 
включая гальванический элемент, к величине заряда (Q):
э .
W
E
Q
=
Напряжение разложения вещества при электролизе – напряжение, при котором на электродах электролизера начина

ются электролитические реакции окисления и  восстановления. Напряжение разложения вещества представляет собой 
сумму всех видов поляризации обоих электродов в условиях 
начала электролиза.
Перенапряжение электродное (h, В) – отклонение электродного напряжения разложения от равновесного значения, 
при котором данная электродная реакция протекает с определенной скоростью. Торможение процесса переноса заряда 
через поверхность раздела «электрод  – электролит» называется электродным перенапряжением. Перенапряжение  – 
один из видов электродной поляризации.
Постоянная Фарадея (F, Кл/моль-экв) – количество электричества, необходимое для  выделения на  электроде одного 
моля эквивалентов вещества:
96484,56
0,27 Кл мольэкв.
F =
±
Один фарадей – это заряд одного моля эквивалентов электронов:
.
1 
А
F
e
N
=
⋅
Стандартный электродный потенциал (напряжение) 
(j0, В)  – напряжение (ЭДС) гальванического элемента, содержащего в  качестве левого электрода стандартный водородный электрод (j0
H+/H2, Pt = 0), а в качестве правого электрода – измеряемый электрод, в условиях, когда активности всех 
участников окислительно-восстановительных реакций равны единице, внешнее давление составляет 101 325 Па (1 атм) 
и диффузионный потенциал устранен.
Удельная электрическая проводимость раствора электролита (s, 1/(Ом⋅см)) – это проводимость объема раствора, 
заключенного между двумя параллельными электродами, 
имеющими площадь 1 см2 и расположенными на расстоянии 
1 см друг от друга при градиенте потенциала 1 В/см.

Электрохимический эквивалент вещества (Kэ, г/Кл) – 
это масса вещества (m), которая теоретически должна участвовать в  электрохимическом процессе при  прохождении 
через электролизер (или элемент) единицы количества электричества (Q):
э
.
m
K
Q
=