Глава 16. Ключевые термины и уравнения

Ключевые термины

активный электрод (active electrode)

электрод, выступающий реагентом или продуктом в окислительно-восстановительной реакции электрохимической ячейки; масса активного электрода изменяется в ходе этой реакции.

щелочная батарея (alkaline battery)

первичная батарея, родственная сухому элементу, но использующая щелочной электролит (как правило, гидроксид калия); разработана как улучшенная замена сухого элемента с большим запасом энергии и меньшей склонностью к утечке электролита, чем у типичного сухого элемента.

анод (anode)

электрод электрохимической ячейки, на котором происходит окисление.

батарея (battery)

отдельный гальванический элемент или последовательно соединённая серия гальванических элементов, предназначенная для использования в качестве источника электрической энергии.

катод (cathode)

электрод электрохимической ячейки, на котором происходит восстановление.

катодная защита (cathodic protection)

способ предотвращения коррозии металлического изделия, при котором его соединяют с протектором (жертвенным анодом) из более легко окисляемого металла.

схема ячейки (схематическая запись) (cell notation, schematic)

символьное обозначение компонентов и реакций электрохимической ячейки.

ячеечный потенциал ($E_\text{cell}$) (cell potential)

разность потенциалов катодной и анодной полуячеек.

концентрационный элемент (concentration cell)

гальванический элемент, состоящий из двух полуячеек одинакового состава, различающихся только концентрацией одного из реагентов или продуктов окислительно-восстановительной реакции.

коррозия (corrosion)

разрушение металла в ходе естественного электрохимического процесса.

сухой элемент (dry cell)

первичная батарея (также известная как цинк-углеродная), работа которой основана на самопроизвольном окислении цинка оксидом марганца(IV).

электродный потенциал ($E_X$) (electrode potential)

потенциал ячейки, в которой рассматриваемая полуячейка выступает катодом при соединении со стандартным водородным электродом.

электролиз (electrolysis)

процесс, в котором электрическая энергия используется для проведения несамопроизвольного химического процесса.

электролитическая ячейка (electrolytic cell)

электрохимическая ячейка, в которой внешний источник электрической энергии заставляет идти процесс, который сам по себе несамопроизволен.

постоянная Фарадея ($F$) (Faraday's constant)

заряд одного моля электронов; \(F = 96\,485\ \text{Кл/моль}\,e^-\).

топливный элемент (fuel cell)

устройство, родственное гальваническому элементу, но требующее непрерывной подачи окислительно-восстановительных реагентов; иногда называется проточной батареей (flow battery).

гальванический (вольтаический) элемент (galvanic / voltaic cell)

электрохимическая ячейка, в которой протекает самопроизвольная окислительно-восстановительная реакция; также называется вольтаическим элементом.

гальванизация (galvanization)

способ защиты железа и подобных металлов от коррозии путём нанесения тонкого слоя более легко окисляющегося цинка.

полуячейка (half cell)

часть электрохимической ячейки, содержащая окислительно-восстановительную сопряжённую пару («couple») одного реагента.

инертный электрод (inert electrode)

электрод, проводящий электроны к реагентам и продуктам полуячейки и от них, но сам не подвергающийся окислению или восстановлению.

свинцово-кислотная батарея (lead acid battery)

перезаряжаемая батарея, широко используемая в автомобилях; как правило, состоит из шести последовательно соединённых гальванических элементов, основанных на полуреакциях с участием свинца в кислой среде.

литий-ионная батарея (lithium ion battery)

широко распространённая перезаряжаемая батарея, применяемая в портативной электронике; работа основана на переносе ионов лития между анодом и катодом.

уравнение Нернста (Nernst equation)

уравнение, связывающее потенциал окислительно-восстановительной системы с её составом.

никель-кадмиевая батарея (nickel-cadmium battery, NiCd)

перезаряжаемая батарея на основе полуячеек \(\ce{Ni}/\ce{Cd}\); область применения близка к области применения литий-ионных батарей.

первичный элемент (primary cell)

неперезаряжаемая батарея, пригодная только для однократного использования.

протектор (жертвенный анод) (sacrificial anode)

электрод из легко окисляющегося металла (часто магния или цинка), применяемый для защиты металлических изделий от коррозии методом катодной защиты.

солевой мостик (salt bridge)

трубка, заполненная раствором инертного электролита.

вторичный элемент (secondary cell)

батарея, конструкция которой допускает перезарядку.

стандартный ячеечный потенциал ($E^\circ_\text{cell}$) (standard cell potential)

ячеечный потенциал, измеренный, когда все реагенты и продукты находятся в своих стандартных состояниях (\(1\ \text{бар}\) или \(1\ \text{атм}\) для газов; \(1\ \text{М}\) для растворённых частиц), обычно при температуре \(298{,}15\ \text{К}\).

стандартный электродный потенциал ($E^\circ_X$) (standard electrode potential)

электродный потенциал, измеренный в стандартных условиях (\(1\ \text{бар}\) или \(1\ \text{атм}\) для газов; \(1\ \text{М}\) для растворённых частиц), обычно при температуре \(298{,}15\ \text{К}\).

стандартный водородный электрод (SHE) (standard hydrogen electrode)

полуячейка, основанная на образовании ионов водорода; ей по определению присвоен потенциал, в точности равный \(0\ \text{В}\) при стандартных условиях, и она служит универсальным эталоном для измерения электродных потенциалов.

Ключевые уравнения

Связь изменения свободной энергии Гиббса с ячеечным потенциалом:

\[ \Delta G = -nFE_\text{cell} \]

Заряд, перенесённый постоянным током силой \(I\) за время \(t\), и соответствующее ему число молей электронов \(n\):

\[ Q = It = nF \]