Современная электрохимия развивается в нескольких направлениях. Прежде всего, это изучение процессов, связанных с превращением энергии, выделяемой при самопроизвольных химических процессах, в электрическую энергию. Такие превращения происходят в электрохимических системах, называемых гальваническими элементами. На основе этих исследований созданы разнообразные химические источники тока от миниатюрных батареек, регулирующих сердцебиение людей, страдающих сердечными болезнями до водородных топливных элементов, обеспечивающих электроэнергией космические корабли и мощных батарей для электроавтомобилей.
Другое направление электрохимии связано с процессами, по существу противоположными процессам, протекающим в гальванических элементах. Речь идет об электролизе - химических превращениях веществ под действием электрического тока. Электролиз лежит в основе выделения и очистки металлов, получения разнообразных химических веществ, нанесения металлов на поверхность металлических и неметаллических изделий, электрохимического полирования и фрезерования металлов и других важных процессов.
Третье направление связано с изучением коррозионных процессов и разработкой эффективных методов защиты металлов от коррозии.
Важными задачами электрохимии являются создание и совершенствование методов количественного анализа химических веществ, исследования и контроля химических процессов, разработки приборов для обнаружения и количественного определения вредных примесей в окружающей среде и т.д.
Проводники электрического тока бывают двух типов:
1.Проводники первого рода или проводники с электронной проводимостью. К ним относятся все металлы.
2.Проводники второго рода, обладающие ионной проводимостью, это растворы и расплавы электролитов.
Поскольку рассматриваемые в электрохимии процессы протекают, главным образом, в растворах электролитов, остановимся подробно на ионной проводимости.
При растворении в воде кислот, оснований или солей образуются ионы, которые находятся в непрерывном беспорядочном движении. Если в раствор электролита погрузить два твердых электрода, соединенных с источником постоянного тока, движение ионов становится направленным - каждый ион перемещается по направлению к электроду с противоположным знаком заряда.
На скорость движения ионов в электрическом поле влияют следующие факторы:
а)Размер иона: чем меньше ион, тем он более подвижен.Рассматривая этот фактор, необходимо помнить, что ионы в водном растворе гидратированы, а значит речь идет о размерах гидратированного иона. Например, свободный ион Li+ меньше иона К+, однако первый ион обладает меньшей скоростью движения в растворе. Это связано с тем, что он в большей степени гидратирован.
б)Заряд иона: скорость движения иона тем больше, чем выше его заряд. Однако следует иметь в виду, что с увеличением заряда увели-чивается степень гидратации, значит уменьшается подвижность.
в)Природа растворителя: чем больше вязкость растворителя, тем большее сопротивление испытывает ион, тем меньше его скорость.
г)Напряженность электрического поля U, т.е. разность потен-циалов между электродами Е, деленная на расстояние между ними l:
U = E/l (3.1.)
Для того, чтобы исключить влияние последнего фактора принято сравнивать скорости движения ионов при U = 1 В×см-1, называемые абсолютными скоростями. Единица измерения абсолютной скорости: см2×В-1×с-1. Влияние первых двух факторов можно проследить по табл.3.1.
Из таблицы видно, что ионы Н+ и ОН- обладают значительно большей скоростью по сравнению с другими ионами. Это принято объяснять особым механизмом движения указанных ионов, называемым эстафетным. Сущность эстафетного механизма можно представить схематически так:
Н3О+ + Н2О = Н2О + Н3О+ и
Н2О + ОН- = ОН- + Н2О
Таблица 3.1.
Абсолютные скорости ионов в водных растворах (t=250С)
Таким образом, между ионами гидроксония Н3О+ и молекулами воды, а также между молекулами воды и гидроксид-ионами происходит обмен ионами Н+. Эти процессы происходят с огромной скоростью - средняя продолжительность существования иона Н3О+ составляет примерно 10-11с. В отсутствие внешнего поля такой обмен протекает в любых направлениях. Под действием электрического поля передача ионов Н+ происходит направленно.
