 |
3.1 Поляризация и перенапряжение
|
|
|
|
ЭДС работающего элемента всегда меньше той расчетной величины, которая отвечает обратимой электрохимической реакции. Причиной этого является поляризация.
Поляризацией называется явление изменения потенциала от своего равновесного значения при протекании тока. Если в отсутствии тока система находится в равновесии, то мерой поляризации служит перенапряжение:
η = jP - j(i)
где jP – равновесный потенциал, j(i) – потенциал при протекание тока.
Возникновение поляризации обусловлено замедленностью отдельных стадий электрохимического процесса, который включает в себя по крайней мере три стадии:
1. подвод реагентов к электроду;
2. собственно электрохимическая реакция;
а) стадия разряда (окисления-восстановления), например, Н+ + е → Н);
б) химическая реакция, сопровождающая стадию разряда 2Н → Н2.
3. отвод продуктов реакции.
Соответственно, в зависимости от характера самой медленной стадии различают три вида поляризации:
1. концентрационная поляризация – изменение потенциала электрода по сравнению с исходным равновесным значением, вызванное изменением концентрации потенциалопределяющих ионов. Этот вид поляризации наблюдается при работе элемента Даниэля-Якоби. При окислении цинкового электрода в приэлектродном слое накапливаются катионы цинка Zn2+ и согласно уравнению Нернста, потенциал этого электрода увеличивается. И, наоборот, у медного электрода концентрация ионов Cu2+ уменьшается вследствие их восстановления, и потенциал медного электрода уменьшается.
2. Химическая поляризация связана с изменением химической природы электрода. Так в элементе Вольта Zn H2SO4 Cu поверхность медного электрода (катода) насыщается водородом (2Н+ + 2е → Н2) и образуется «водородный» электрод, потенциал которого имеет более низкое значение, чем потенциал медного электрода.
|
|
|
3. Изменение потенциала, обусловленное замедленностью электрохимических стадий реакций – называется электрохимической поляризацией и характеризуется перенапряжением перехода. Эта стадия играет главную роль в электрохимической кинетике, т. к. на перенос заряда непосредственно влияет потенциал электрода. Связь между перенапряжением перехода и плотностью тока выражается уравнением Тафеня:
η = а + в lgi
Константа «в» зависит от природы окислителя и восстановителя, температуры, «а» – от природы окислителя и восстановителя, состава раствора, температуры, материала электрода, «i» - плотность тока.
При использовании гальванического элемента, как источника питания, важное значение приобретает процесс устранения поляризации – так называемая деполяризация. Так, например, перемешивание раствора способствует уменьшению концентрационной поляризации.
Для экспериментального определения поляризации строят кривую зависимости потенциала электрода от плотности тока, протекающего в системе, так называемую поляризационную кривую. Согласно первому закону Фарадея, ток, протекающий в системе, пропорционален количеству вещества, прореагировавшего на электроде в единицу времени, т. е. скорости электрохимической реакции. Так как в зависимости от площади электрода при одном и том же потенциале токи могут быть разными, то скорость реакции относят к единице площади поверхности электрода и характеризуют плотность тока
i = 
На рисунке 5 представлены поляризационные кривые элемента Даниэля-Якоби.
 |
Рис. 5. Поляризационные кривые, характеризующие работу гальванического элемента
Е – ЭДС гальванического элемента
U – напряжение, снимаемое с клемм
|
|
|
η а и η к - анодное и катодное перенапряжение, соответственно.
Скорость электрохимической реакции, протекающей на аноде, характеризуют плотностью анодного тока (ia), на катоде – плотностью катодного тока (iк). Перенапряжение обусловлено конечной скоростью электродной реакции и количественно характеризует замедленность протекания отдельных ее стадий.
Напряжение «U», измеряемое на электродах при протекании в системе плотности тока i, меньше, чем ЭДС. Чем больше ток в системе, тем сильнее отклонение потенциала от равновесного, т. е. тем выше поляризация и меньше U.
|
|
|
