Физическая химия: конспект лекций.

2. Уравнения электрохимической кинетики, пределы их применимости.

1-й закон Фарадея устанавливает прямую пропорциональность между количеством прошедшего через систему электричества и количеством прореагировавшего вещества.

Δm = кэJt = кэq, (1).

Где Δm – количество прореагировавшего вещества;

К – коэффициент пропорциональности;

q – количество электричества, равное произведению силы тока I на время t.

Если q = Jt = 1, то Δm = кэ – количество вещества, прореагировавшего в результате протекания единицы количества электричества.

кэ – электрохимический эквивалент.

2-й закон Фарадея устанавливает связь между количеством прореагировавшего вещества при пропускании данного количества электричества и его природой.

По этому закону, при постоянном количестве прошедшего электричества массы прореагировавших веществ относятся между собой, как их химические эквиваленты А:

Физическая химия: конспект лекций

Если количество электричества равно F, числу Фарадея, то Δm1 = Fкэ1 = А1, Fкэ при q = 1F, то.

Физическая химия: конспект лекций

Уравнение (3) позволяет объединить оба закона Фарадея в виде одного общего закона, по которому количество электричества (1F = 96500к) всегда изменяет электрохимически массу любого вещества, независимо от его природы.

Законы Фарадея – основные законы электролиза, согласно которых, количество вещества, выделившегося при электролизе, прямо пропорционально его химическому эквиваленту и количеству прошедшего электричества.

Уравнение Нернста.

Е0 – равновесный стандартный потенциал.

Физическая химия: конспект лекций

Где С0 – стандартная концентрация раствора;

С – любая концентрация в нестандартных условиях, С = С0 х Е = Е0 , т. е. в стандартных условиях С = С0 = 1 моль.

Для окислительных веществ.

Физическая химия: конспект лекций

1-й закон Фика:

Физическая химия: конспект лекций

Где dс/dх – градиент концентрации;

s – площадь, через которую происходит диффузия.

Δ – коэффициент диффузии см2 х с-1, показывает число частиц, продиффундировавших за 1 с через поперечное сечение раствора площадью 1 см2, dt – время диффузии, dm – число продиффундировавших частиц.

Физическая химия: конспект лекций

Где Тк – коэффициент внутреннего трения;

D – коэффициент диффузии.

Первый закон Фика относится к процессу стационарной диффузии, сходен с закономерностями переноса тепла из электричества.

Физическая химия: конспект лекций

Если диффузионный поток не изменяется с течением времени, это называется стационарной диффузией.

Диффузия – самопроизвольно протекающий в системе процесс выравнивания концентрации молекул, ионов, частиц под влиянием теплового хаотического движения.

Основное уравнение электрохимической кинетики.

iк = iа = i0,

Где i0 – ток обмена,

Физическая химия: конспект лекций

(окислительно-восстановительные реакции).

При катодной поляризации на электроде через систему протекает iк преимущественно, если поляризация не слишком велика, то суммарная скорость процесса равна:

i = iк – iа,

Для реакции (1) катодные и анодные токи будут равны:

Физическая химия: конспект лекций

Где Z – количество электронов, участвующих в реакции;

F – число Фарадея;

к – соnst скорости;

Сох, Сrеd – концентрация окислительной и восстановленной форм реагентов;

ΔGК – энергия активации катодного процесса;

ΔGА – энергия активации анодного процесса.

Энергия активации зависит от величины накладываемого потенциала, в то же самое время эта энергия распределяется между прямой и обратной реакцией в соответствии с коэффициентом переноса – а, т. е.

υ = υпр – υоб.

Коэффициент переноса α– доля энергии электрического поля в ДЭС, которая приходится на прямую и обратную реакции.

α– коэффициент переноса для катодной реакции;

(1 – α) – для анодного процесса (коэффициент переноса).

ΔGк = ZFЕ α, (4).

ΔGА = ZFЕ(1 – α) (5).

С учетом уравнений (4), (5) уравнения (2), (3) примут следующий вид:

Физическая химия: конспект лекций

Различие знаков у электрона объясняется тем, что катодная поляризация («–») ускоряет прямую реакцию и замедляет обратную реакцию.

Физическая химия: конспект лекций

Введем в уравнение (8) плотность тока обмена – i0.

Физическая химия: конспект лекций

Вместо потенциала введем перенапряжение:

Физическая химия: конспект лекций

Полное уравнение поляризационной кривой.

Вывод из уравнения (10):

1) при равновесном потенциале, когда ток равен нулю, уравнение (10) преобразуется в уравнение Нернста:

Физическая химия: конспект лекций

2) при малых величинах η:

Физическая химия: конспект лекций

При сдвижении потенциала от равновесного (59 mВ);

Физическая химия: конспект лекций

η = а + b ln i– уравнение Тафеля в простом виде при замедлении стадии переноса заряда.

Величина i0 (тока обмена) и α(коэффициента переноса) – основные кинетические параметры стадии переноса заряда (q). Они могут быть определены из экспериментальных измерений, для этого на исследуемом электроде снимают зависимость η– i или Еi – i.

Поляризационная кривая судит о коррозионной стойкости металлов.

Перестраиваем поляризационную кривую в координаты:

Физическая химия: конспект лекций

Определяем соnst а и bв уравнении Тафеля, определяем b:

Из коэффициента bнайдем а, после подставим в а и найдем i0.

Перенапряжение Н2 (водорода).

Источник выделения Н2 – Н2SО4 →Н++ НSО4–

Источник выделения Н2 – Н2О → Н++ ОН-.

В рН < 7 Н2 выделяется по реакции.

Физическая химия: конспект лекций

Н2 всегда выделяется в потенциалах более отрицательных, чем равновесный потенциал, то есть с перенапряжением.

Суммарный процесс выделения водорода состоит из следующих стадий:

1) доставка к поверхности катода реагирующих частиц Н3О+;

2) разряд Н3О+ с образованием Надс

Физическая химия: конспект лекций

3) удаление выделяющегося Надс с поверхности электрода может происходить тремя путями:

А) каталитическая рекомбинация.

Физическая химия: конспект лекций

Где Каt – материал катода;

Б) электрохимическая десорбция – удаление Н2 происходит на уже адсорбированных атомах.

Физическая химия: конспект лекций

В) эмиссия включает две стадии:

Физическая химия: конспект лекций

Для Рt замедлена стадия а), для других металлов (Нg, Рb) – стадия разряда, Н+ – самый подвижный.