Электродные равновесия

Иногда бывает весьма желательно удалить некоторые вносимые газообразным водородом примеси. Так, кислород окисляет поверхность металла. Получающийся окисел реагирует с растворенным водородом и уменьшает его концентрацию вблизи электрода, сдвигая таким образом потенциал водородного электрода в положительную сторону. Однако кислород может повысить каталитическую активность металла и увеличить срок службы электрода. Поэтому при использовании электродов из полированной платины или золота желательно, чтобы в растворе имелись следы кислорода. Находящаяся в растворе двуокись углерода может изменить его рН. Другие примеси, такие, как соединения мышьяка и серы, могут действовать как каталитические яды и сокращать срок службы электрода.

Возникающий при электролитическом процессе газообразный водород имеет высокую чистоту, но он не пригоден для водородных электродов, поскольку содержит некоторое количество раствора и не свободен от кислорода. Вполне удовлетворителен выпускаемый промышленностью чистый водород после его очистки от кислорода и пропускания через порошковый очиститель, содержащий гидроокись калия в качестве поглотителя углекислого газа. Обычно процесс удаления кислорода сводится к пропусканию водорода через стандартный поглотитель кислорода, содержащий активный при комнатной температуре платиновый катализатор. Другой метод удаления кислорода состоит в пропускании газообразного водорода через чистую трубку из кварцевого стекла, содержащую горячую восстановленную медь (450—700°С) или горячий палладированный или платинированный асбест (200°С).

Если где-то используется соединительная резиновая трубка, то она должна быть предварительно обработана кипячением в растворе каустической соды, чисто вымыта и затем выдержана в течение суток в газообразном водороде, так как из резины могут поступать соединения серы.

Для поддержания постоянной концентрации электролита перед поступлением в ячейку газообразный водород должен быть предварительно насыщен растворителем до такого давления паров, которое имеет раствор электролита при той же температуре.

Примеси влияют на стабильность водородных электродов , т.к. они могут восстанавливаться растворенным газообразным водородом с образованием растворимых продуктов. Это может привести к значительному уменьшению .концентрации молекулярного водорода в растворе и к положительному сдвигу потенциала водородного электрода. К этой категории примесей относятся кислород, CrO42-, Fe3+ и т. д. Катионы некоторых металлов, таких, как серебро, ртуть, медь, свинец и т.д., могут восстанавливаться, и осаждаться в твердом виде, покрывая поверхность электрода и изменяя его свойства. Примеси, подобные соединениям мышьяка и серы, а также некоторые органические соединения могут адсорбироваться на активных центрах поверхности металла и парализовать каталитическую активность.

Даже в отсутствие примесей каталитическая активность поверхности металла может нарушаться водородным ядом. Под этим подразумевается уничтожение активных центров на поверхности металла реакцией рекомбинации атомов водорода. Поскольку каталитическое действие поверхности металла связано с дефектами кристалла, активные центры находятся в более высоких энергетических состояниях, чем поверхность идеального кристалла. За счет большой энергии, выделяемой при слиянии атомов водорода, активные центры могут перейти в состояние с пониженной энергией (поверхность идеального кристалла) и потерять свою каталитическую активность. Перед употреблением старого или долго проработавшего водородного электрода его следует повторно активировать или платинировать.

В водных растворах водородный электрод может применяться в широком диапазоне рН. Он использовался в щелочных растворах вплоть до моляльности 4 моль/кг и в растворах серной кислоты до моляльности 17,5 моль/кг, но в нейтральных растворах в отсутствие буфера этот электрод не применим. Дело в том, что потенциал водородного электрода весьма чувствителен к рН. В нейтральных растворах, через которые пропускается хотя бы незначительный ток, рН вблизи электрода изменяется довольно заметно.

Давление газообразного водорода можно точно измерить барометром. Однако в большинстве конструкций ячеек водород пропускается через раствор в виде пузырьков. Поэтому при вычислении потенциала следует использовать эффективное давление газообразного водорода. Для водных растворов эффективное давление можно рассчитать по эмпирическому уравнению

                                         (27)

где — барометрическое давление (мм рт. ст.), - давление паров раствора (мм рт. ст.) и h — глубина погружения распылителя водорода (мм). Водородный электрод можно также применять во многих неводных и частично водных растворах, особенно в спиртовых.[9]

Диффузионный потенциал

В электрохимических цепях на границах раздела между неодинаковыми растворами электролитов возникают скачки потенциала. Для двух растворов с одинаковым растворителем такой скачок потенциала называется диффузионным потенциалом. В месте контакта двух растворов электролита КА, отличающихся друг от друга концентрацией, происходит диффузия ионов из раствора 1, более концентрированного, в раствор 2, более разбавленный. Обычно скорости диффузии катионов и анионов различны. Допустим, что скорость диффузии катионов больше скорости диффузии анионов. За некоторый промежуток времени из первого раствора во второй перейдет больше катионов, чем анионов. В результате этого раствор 2 получит избыток положительных зарядов, а раствор 1 — отрицательных. Поскольку растворы приобретают электрические заряды, то скорость диффузии катионов уменьшается, анионов увеличивается, и с течением времени эти скорости становятся одинаковыми. В стационарном состоянии электролит диффундирует как единое целое. При этом каждый раствор имеет заряд, и разность потенциалов, установившаяся между растворами, соответствует диффузионному потенциалу. Расчет диффузионного потенциала в общем случае затруднителен. С учетом некоторых допущений Планком и Гендерсоном выведены формулы для расчета φд . Так, например, при контакте двух растворов одного и того же электролита с различной активностью (α1α2)

                                                        (28)

где и — предельные молярные электрические проводимости ионов. Величина φд мала и в большинстве случаев не превышает нескольких десятков милливольт.

ЭДС электрохимической цепи с учетом диффузионного потенциала

……………………………….(29)

Уравнение (29) используется для расчета (или ) по результатам измерения Е, если известны (или ) и . Поскольку определение диффузионного потенциала связано с существенными экспериментальными трудностями, то при измерениях ЭДС удобно устранить с помощью солевого мостика. Последний содержит концентрированный раствор электролита, молярные электрические проводимости ионов которого приблизительно одинаковы (KCl, KNO3). Солевой мостик, в котором содержится, например, КС1, располагают между растворами электрохимической цени, и вместо одной жидкостной границы в системе возникают две. Так как концентрация ионов в растворе КС1 значительно выше, чем в соединяемых им растворах, то практически только ионы K+ и С1- диффундируют через жидкостные границы, на которых возникают очень малые и обратные по знаку диффузионные потенциалы. Их суммой можно пренебречь.[1],[7]

Строение двойного электрического слоя

Переход заряженных частиц через границу раствор — металл сопровождается возникновением на этой границе двойного электрического слоя (д.э.с) и скачка потенциала. Двойной электрический слой создается электрическими зарядами, находящимися на металле, и ионами противоположного заряда (противоионами), ориентированными в растворе у поверхности электрода.[1]

В формировании ионной обкладки д.э.с. принимают участие как электростатические силы, под влиянием которых противоионы подходят к поверхности электрода, так и силы теплового (молекулярного) движения, в результате действия которых д.э.с. приобретает размытое, диффузное строение. Кроме того, в создании двойного электрического слоя на границе металл — раствор существенную роль играет эффект специфической адсорбции поверхностно-активных ионов и молекул, которые могут содержаться в электролите.

Строение двойного электрического слоя в отсутствие специфической адсорбции. Под строением д.э.с. понимают распределение зарядов в его ионной обкладке. Упрощенно ионную обкладку можно условно разделить на две части: 1) плотную, или гельмгольцевскую, образованную ионами, практически вплотную подошедшими к металлу; 2) диффузную, созданную ионами, находящимися на расстояниях от металла, превышающих радиус сольватированного иона (рис. 1). Толщина плотной части порядка 10-8 см, диффузной — 10-7—10-3 см. Согласно закону электронейтральности

……………………………..(30)

где , ,, – плотность заряда со стороны металла, со стороны раствора, в плотной диффузионной части д.э.с. соответственно. [1]

Рис.1. Строение двойного электрического слоя на границе раствор – металл.: аб – плотная часть ;бв – диффузная часть

Распределение потенциала в ионной обкладке двойного электрического слоя, отражающее его строение, представлено на рис.2. Величина скачка потенциала φ на границе раствор — металл соответствует сумме величин падения потенциала в плотной части д.э.с и — в диффузной. Строение д.э.с. определяется общей концентрацией раствора, С ее ростом диффузия противоиоиов от поверхности металла в массу раствора ослабляется, в результате чего сокращаются размеры диффузной части. Это приводит к изменению -потенциала. В концентрированных растворах диффузная часть практически отсутствует, и двойной .электрический слой подобен плоскому конденсатору, что соответствует модели Гельмгольца, впервые предложившего теорию строения д.э.с..

Рис.1. Распределение потенциала в ионной обкладке при различной концентрации раствора: аб – плотная часть ; бв – диффузная часть; φ – разность потенциалов между раствором и металлом; ψ,ψ1 – падение потенциала в плотной и диффузной частях д.э.с.

Строение двойного электрического слоя в условиях специфической адсорбции. Адсорбция – концентрирование вещества из объема фаз на поверхности раздела между ними – может быть вызвана как электростатическими силами, так и силами межмолекулярного взаимодействия и химическими. Адсорбцию, вызванную силами неэлектростатического происхождения, принято называть специфической. Вещества, способные адсорбироваться на границе раздела фаз, называются поверхностно-активными (ПАВ). К ним относятся большинство анионов, некоторые катионы и многие молекулярные соединения. Специфическая адсорбция ПАВ, содержащегося в электролите, влияет на структуру двойного слоя и величину -потенциала (рис.3). Кривая 1 соответствует распределению потенциала в двойном электрическом слое в отсутствие ПАВ в растворе. Если раствор содержит вещества, дающие при диссоциации поверхностно-активные катионы, то за счет специфической адсорбции поверхностью металла катионы будут входить в плотную часть двойного слоя, увеличивая ее положительный заряд (кривая 2). В условиях, способствующих усилению адсорбции (например, увеличение концентрации адсорбата), в плотной части может оказаться избыточное количество положительных зарядов по сравнению с отрицательным зарядом металла (кривая 3). По кривым распределения потенциала в двойном слое видно, что -потенциал изменяется при адсорбции катионов и может иметь знак, противоположный знаку потенциала электрода.

Рис.3. Влияние поверхностноактивных катионов на распределение потенциала в ионной обкладке двойного электрического слоя при отрицательном заряде электрода

Эффект специфической адсорбции наблюдается и на незаряженной поверхности металла, т.е. в тех условиях, когда обмен ионами между металлом и раствором отсутствует. Адсорбированные ионы и соответствующие противоионы образуют двойной электрический слой, расположенный в непосредственной близости к металлу со стороны раствора. Ориентированные около поверхности металла адсорбированные полярные молекулы (ПАВ, растворителя) также создают двойной электрический слой. Скачок потенциала, отвечающий двойному электрическому слою при незаряженной поверхности металла, называется потенциалом нулевою заряда (ц.н.з.).[1],[5],[11]

 Потенциал нулевого  заряда определяется природой  металла и составом электролита. При адсорбции катионов п.н.з. становится более положительным, анионов — более отрицательным. Потенциал нулевого заряда является важной электрохимической характеристикой электродов. При потенциалах, близких к п.н.э., некоторые свойства металлов достигают предельных значений: велика адсорбция ПАВ, максимальна твердость, минимальна смачиваемость растворами электролитов и др.

Результаты исследований в области теории двойного электрического слоя позволили более широко рассмотреть вопрос о природе скачка потенциала на границе раствор — металл. Этот скачок обусловлен следующими причинами: переходом заряженных частиц через границу раздела (), специфической адсорбцией ионов () и полярных молекул (). Гальвани-потенциал на границе раствор — металл можно рассматривать как сумму трех потенциалов:

……………………………..(31)

В условиях, при которых обмен заряженными частицами между раствором и металлом, а также адсорбция ионов не происходят, все же остается скачок потенциала, вызванный адсорбцией молекул растворителя, — . Гальвани-потенциал может быть равен нулю только тогда, когда , и компенсируют друг друга.

В настоящее время нет прямых экспериментальных и расчетных методов определения величин отдельных скачков потенциала на границе раздела раствор — металл. Поэтому вопрос об условиях, при которых скачок потенциала обращается в нуль (так называемый абсолютный нуль потенциала), остается пока открытым. Однако для решения большинства электрохимических задач знание отдельных скачков потенциалов не обязательно. Достаточно пользоваться значениями электродных потенциалов, выраженными в условной, например водородной, шкале.

Строение двойного электрического слоя не отражается на термодинамических свойствах равновесных электродных систем. Но при протекании электрохимических реакций в неравновесных условиях ионы испытывают влияние электрического поля двойного слоя, что приводит к изменению скорости электродного процесса.[1]