Одиннадцатый класс → Редокс-реакции ↓
Электрохимические ячейки и окислительно-восстановительные реакции
Окислительно-восстановительные реакции, также называемые окислительно-восстановительными реакциями, включают передачу электронов между двумя веществами. В этих реакциях одно вещество подвергается окислению, а другое — восстановлению. Понимание этих реакций важно при изучении электрохимических ячеек, которые представляют собой системы, способные преобразовывать химическую энергию в электрическую и наоборот.
Что такое окислительно-восстановительные реакции?
Окислительно-восстановительные реакции характеризуются переносом электронов от одного химического вида к другому. Здесь термин окисление означает потерю электронов, а восстановление — приобретение электронов. Эти реакции всегда связаны, поскольку если один вид окисляется (теряет электроны), другой должен восстанавливаться (приобретать электроны).
Пример окислительно-восстановительной реакции
Рассмотрим реакцию между цинком и ионами меди:
Zn(s) + Cu 2+ (aq) → Zn 2+ (aq) + Cu(s)
В этой реакции цинк теряет два электрона и окисляется до Zn 2+. Ионы меди приобретают эти два электрона и восстанавливаются до металлической меди.
Полуреакция окисления
Zn(s) → Zn2 + (aq) + 2e-
Металл цинка окисляется, то есть электроны удаляются из него.
Полуреакция восстановления
2Cu2 + (aq) + 2e− → Cu(s)
Ионы меди восстанавливаются, то есть приобретают электроны.
Определение окислителей и восстановителей
В окислительно-восстановительной реакции вещество, которое окисляется, является восстановителем, поскольку оно отдает электроны. Напротив, вещество, которое восстанавливается, является окислителем, поскольку принимает электроны.
В приведенном выше примере:
Znявляется восстановителем.Cu 2+является окислителем.
Электрохимические ячейки
Электрохимические ячейки — это устройства, которые могут генерировать электрическую энергию из химических реакций или способствовать протеканию химических реакций путем введения электрической энергии. Эти ячейки делятся на два основных типа:
- Гальванические (или вольтаические) ячейки
- Электролитические ячейки
Гальванические ячейки
Гальванические ячейки получают свою энергию за счет самопроизвольных окислительно-восстановительных реакций. Давайте более подробно рассмотрим, как работает типичная гальваническая ячейка, используя обсуждаемый ранее пример цинка и меди.
Ячейка Даниэля
Классическим примером гальванической ячейки является ячейка Даниэля, состоящая из двух полуячеек, соединенных солевым мостиком. Одна полуячейка содержит полоску цинка, погруженную в раствор сульфата цинка, а другая полуячейка содержит полоску меди, погруженную в раствор сульфата меди.
Zn(s) | ZnSO 4 (aq) || CuSO4 (aq) Cu(s)
Здесь цинковый электрод действует как анод, где происходит окисление:
Zn(s) → Zn2 + (aq) + 2e-
Медный электрод действует как катод, где происходит восстановление:
2Cu2 + (aq) + 2e− → Cu(s)
Электроны текут от цинкового электрода к медному электроду через внешнюю цепь, производя электрический ток. Солевой мост (обычно это трубка, содержащая гель с ионами, такими как NaNO 3 или KCl) позволяет ионам перемещаться между двумя растворами для поддержания баланса заряда.
Электролитическая ячейка
В отличие от гальванических ячеек, электролитические ячейки требуют внешней электрической энергии для приведения в действие несамопроизвольных химических реакций. Этот тип ячеек используется в таких процессах, как электролиз, когда соединения разлагаются на составляющие элементы.
Пример: Электролиз воды
Электролиз воды — это процесс, при котором через воду проходит электрический ток, чтобы разложить ее на кислород и водород.
2H 2 O(l) → 2H 2 (g) + O 2 (g)
Установка для этого процесса состоит из двух электродов, погруженных в воду. При подаче внешнего напряжения происходят следующие реакции:
- Окисление воды на аноде (положительный электрод) производит кислород ионы водорода:
2H 2 O(l) → O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e -
4H + (aq) + 4e - → 2H 2 (g)
Общая реакция представляет собой разложение воды на газообразный водород и кислород.
Применение электрохимических ячеек
Электрохимические ячейки имеют множество применений. Некоторые из самых важных областей включают:
Батареи
Батареи в основном являются гальваническими ячейками, которые хранят химическую энергию для преобразования в электрическую энергию. Распространенные типы батарей включают:
- Щелочные батареи
- Свинцово-кислотные батареи (используются в транспортных средствах)
- Литий-ионные батареи (используются в электронике)
Каждый тип батарей работает по принципу окислительно-восстановительных реакций для подачи электричества.
Гальванопластика
Гальванопластика использует электролитические ячейки для нанесения тонкого слоя металла на поверхность объекта. Например, хром может наноситься на железо для предотвращения ржавления, или золото может наноситься на ювелирные изделия в эстетических целях.
Промышленные процессы
Электрохимические ячейки важны в различных промышленных процессах, таких как:
- Производство хлора и гидроксида натрия через электролиз солевого раствора.
- Производство алюминия из боксита по процессу Холла — Эру.
Заключение
Изучение электрохимических ячеек и окислительно-восстановительных реакций позволяет понять, как химические изменения могут создавать или запускаться электрической энергией. Понимание этих концепций является важным для изучения различных применений как в повседневной жизни, так и в промышленных практиках.
Комментарии