Химия. Электрохимические процессы и системы

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 
 
 
 
 
 
В.К. ВАРЕНЦОВ, Р.Е. СИНЧУРИНА,  
Е.М. ТУРЛО 
 
 
 
 
ХИМИЯ 
 
 
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ 
ПРОЦЕССЫ И СИСТЕМЫ 
 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2013 

УДК 541.13(075.8) 
   В 18 
 
 
 
Рецензенты: 
канд. хим. наук, доц. Т.П. Александрова; 
д-р хим. наук, проф. Н.Ф. Уваров 
 
 
 
Работа подготовлена на кафедре химии для студентов технических 
специальностей дневной и заочной форм обучения  
и утверждена Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебно-методического пособия 
 
 
 
 
Варенцов В.К. 
В 18  
Химия. Электрохимические процессы и системы: учеб.-метод. пособие / В.К. Варенцов, Р.Е. Синчурина, Е.М. Турло. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. – 60 с. 

 
 
ISBN 978-5-7782-2241-0 

Работа посвящена практическим вопросам электрохимии – электродам, 
гальваническим  элементам, электролизу, коррозии металлов и способам защиты от нее. В каждом разделе представлена краткая теоретическая информация, 
продуктивные способы деятельности, примеры обучающих и контролирующих 
заданий. 
Предназначена для студентов технических специальностей.  
 
 
УДК 541.13(075.8) 
 
 
 
ISBN 978-5-7782-2241-0 
© Варенцов В.К., Синчурина Р.Е.,  
 
    Турло Е.М., 2013 
 
© Новосибирский государственный  
 
    технический университет, 2013 

ВВЕДЕНИЕ 

Работа направлена на обобщение и систематизацию знаний и умений обучающихся. Пользуясь предложенными материалами, обучающиеся могут более глубоко и осознанно освоить теоретические и практические  вопросы такого раздела курса химии как «Электрохимия». С 
этой целью в учебно-методическом пособии приведены учебные цели 
раздела, краткие теоретические сведения, продуктивные способы деятельности (алгоритмы выполнения заданий), примеры обучающих и 
контролирующих заданий, справочные материалы и список использованной литературы. 
После успешного освоения данного раздела «Электрохимия» студент будет знать и уметь, а именно 
иметь представление: 
 об основных проблемах и направлениях развития электрохимии; 
 о механизме возникновения и строении двойного электрического 
слоя; 
знать: 
 классификацию электрохимических систем и электрохимических 
процессов; 
 основные положения соглашения об электрических цепях; 
 устройство и принцип работы основных электродов (первого и 
второго родов, газовых), понятие проводник первого и второго рода, 
уравнения Нернста и Нернста – Петерсона; 
 классификацию, устройство и механизм работы гальванических 
элементов; 
 основные электродные реакции при электролизе водных растворов электролитов, понятие растворимые и нерастворимые аноды; законы Фарадея, выход вещества по току; 
 классификацию коррозионных процессов; 
 причины, обуславливающие коррозию металлов; 
 механизм коррозии металлов с водородной и кислородной деполяризацией; 
 способы и методы защиты металлов от коррозии; 

уметь: 
 сравнивать свойства металлов на основе их стандартного окислительно-восстановительного потенциала; 
 составлять электрохимическую схему: 
 электрода; 
 гальванического элемента; 
 процесса электролиза; 
 коррозионного элемента; 
 рассчитывать: 
 равновесный потенциал основных электродов (первого и второго 
родов, газовых);  
 равновесное напряжение гальванического элемента; 
 энергию Гиббса для гальванического элемента; 
 максимальную полезную работу для гальванического элемента; 
 массы и объемы веществ, прореагировавших на электроде при 
прохождении электрического тока; 
 записывать уравнения электрохимических реакций, протекающих: 
 в гальваническом элементе (анодная, катодная и суммарная реакции); 
 при электролизе (катодная, анодная реакции); 
 при коррозии металлов (анодная, катодная и суммарная реакции); 
 при нарушении целостности покрытий (катодного, анодного), 
при протекторной и электрозащите; 
 при цементации (вытеснении менее активного металла из раствора его соли более активным); 
 оценивать возможность коррозии металла на основании сравнения рассчитанных равновесных потенциалов возможных анодной и 
катодных реакций, пользуясь диаграммой Пурбе; 
 подбирать способ защиты металлов от коррозии:  
 анодное покрытие; 
 катодное покрытие; 
 протекторная защита; 
 электрозащита.  
Учебное издание может быть использовано обучающимися для самоконтроля, при самостоятельной работе во время подготовки к занятиям, при проведении практических и лабораторных работ. Целесообразно вначале рассмотреть образцы решения  обучающих заданий и 
рекомендации по их выполнению, а затем приступать к выполнению 
контрольных заданий.  

1. ЭЛЕКТРОДЫ  
И ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ 

Электрод – это гетерогенная система из двух находящихся в контакте проводников – электронного (металлы, графит) и ионного (раствор или расплав электролита). Электроды делятся на пять основных 
классов 
(первого, 
второго 
и 
третьего 
родов, 
окислительновосстановительные и газовые). 
Электрод первого рода (ионно-металлический) – это металл 
(Me), погруженный в раствор, содержащий катионы этого (Mez+). 
Схема ионно-металлического электрода: 
 
Me0  |Mez+ (1), C(Mez+) (2),   
(1) 

где вертикальная черта обозначает поверхность раздела фаз металл (1) – 
раствор (2); C(Mez+) – молярная концентрация соответственно катионов или соли данного металла в растворе, моль/л. 
При погружении металла в раствор, содержащий ионы этого металла, осуществляется обмен между поверхностными ионами металла 
и ионами металла в растворе. Наличие такого обмена было экспериментально доказано с помощью радиоактивных изотопов металла. 
В зависимости от природы металла в результате указанного обмена 
поверхность металла заряжается отрицательно или положительно. Соответственно, слой раствора, непосредственно примыкающий к поверхности металла, заряжен отрицательно или положительно, так как 
система «электрод-раствор» в целом электронейтральна. В результате 
различного заряда поверхности металла и прилегающего к ней раствора возникает двойной электрический слой (ДЭС), который определяется электрохимической реакцией  
 
Me1 – z ̅ → Me1
z+,  
(2)    

или  
 
Mez+ + z ̅ → Me0.  
(3) 

Согласно модели Гельмгольца ДЭС рассматривается как конденсатор. Одна обкладка конденсатора проходит через ионы, расположенные на поверхности металла, а вторая – через ионы, прилегающие к 
поверхности металла со стороны раствора. На границе «металлраствор» возникает межфазовая разность потенциалов или скачок потенциала. 
Эта разность потенциалов называется равновесным (или обратимым) окислительно-восстановительным потенциалом ионно-металлического электрода. Равновесный потенциал ионно-металлического 
электрода рассчитывается по уравнению Нернста:     

 
Ме
|Ме
z

 = 
0
Ме
|Ме
φ
z
 + 0,059 lgC
z
(Mez+), 
           (4) 

где z – число электронов, принимающих участие в динамическом равновесии, определяемое зарядом катиона; 
0
Ме
|Ме
 φ
z
 – стандартный по
тенциал ионно-металлического электрода в растворе с C(Mez+) =  
= 1 моль/л, Т = 298 К (значения приводятся в справочниках). 
Поскольку абсолютное значение равновесного потенциала определить невозможно, пользуются понятием потенциала в относительной 
шкале. Для этого измеряют потенциал исследуемого электрода относительно другого электрода. В качестве такого электрода (или точки отсчета) принят стандартный водородный электрод. Стандартный потен
циал этого электрода при активности ионов водорода 
+ 
Н
моль
1
л


,  

Т = 298 К, Р = 1 атм принят равным нулю. 
Значения стандартных электродных потенциалов в относительной 
шкале потенциалов расположены в порядке возрастания их значений и 
характеризуют окислительно-восстановительные свойства металлов. 
Чем меньше алгебраическая величина 
Ме
|Ме
φ
z
, тем металл хими
чески активнее, легче окисляется (отдает электроны) и труднее восстанавливаются его катионы (принимают электроны)  

1
1
2
2
Ме
|Ме
Ме
|Ме
Меj
|Меj
φ
φ
... φ
z
z
z





. 

←усиление восстановительных свойств 
усиление окислительных свойств→