🔋 Електрохімія
Шпаргалка: Електрохімія
Гальванічні елементи, анод і катод, ЕРС, ряд активності металів, закони Фарадея та електроліз — повна довідка
Гальванічний елемент: анод і катод
Анод (гальванічний елемент)
Окиснення (−). Втрата електронів
Катод (гальванічний елемент)
Відновлення (+). Приєднання електронів
Рух електронів
Зовнішнім колом: анод → катод
Рух йонів
Сольовий місток: підтримує електронейтральність
✦ Мнемоніка "AN OX, RED CAT": АНод = OXидація (окиснення), CAT-од = REDукція (відновлення). Це правило діє завжди — і в гальванічному елементі, і в електролізі.
⚠ Полярність електродів залежить від типу комірки! У гальванічному елементі анод "−", катод "+". В електролітичній комірці — навпаки: анод "+", катод "−". Але хімічний процес на кожному електроді (окиснення на аноді, відновлення на катоді) не змінюється ніколи.
ЕРС елемента (E°cell)
E°cell = E°катод − E°анод
Використовуються стандартні потенціали відновлення (E°) обох напівреакцій. Якщо E°cell > 0 — реакція спонтанна (гальванічний елемент працює самостійно); якщо E°cell < 0 — реакція неспонтанна (потрібен електроліз).
✦ Стандартний водневий електрод (СВЕ) прийнято як точку відліку: E°(H⁺/H₂) = 0 В.
Ряд активності металів (електрохімічний ряд напруг)
Li > K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > (H) > Cu > Ag > Au
| Положення в ряду | Властивість |
|---|
| Ліворуч (Li, K, Ca...) | Найактивніші метали, найсильніші відновники, найлегше окиснюються |
| Праворуч (Ag, Au) | Найменш активні метали, найслабші відновники, найважче окиснюються |
| (H) — водень | Орієнтир: метали лівіше H витісняють водень з кислот, правіше — ні |
✦ Метал, розташований лівіше в ряду, витісняє з розчину солі метал, розташований правіше (наприклад, Zn витісняє Cu з CuSO₄, бо Zn активніший).
Закон електролізу Фарадея
m = (M · I · t) / (n · F)
| Величина | Значення |
|---|
| m | Маса речовини, що виділилась на електроді (г) |
| M | Молярна маса речовини (г/моль) |
| I | Сила струму (А) |
| t | Час електролізу (с) |
| n | Число електронів, що переносяться у напівреакції |
| F | Стала Фарадея = 96485 Кл/моль |
✦ Добуток I·t = q — це заряд у кулонах (Кл), що пройшов через електроліт. Кількість молей електронів = q/F.
Електроліз: катод і анод
Катод (електроліз)
Відновлення (−). Приєднання електронів
Анод (електроліз)
Окиснення (+). Втрата електронів
⚠ Порівняно з гальванічним елементом, полярність електродів в електролізі протилежна (катод стає "−", анод — "+"), оскільки зовнішнє джерело живлення примусово "заганяє" електрони на катод. Але сам процес — окиснення на аноді й відновлення на катоді — залишається незмінним для обох типів комірок.
Зв'язок ΔG і E
ΔG° = −n · F · E°
| Умова | Наслідок |
|---|
| E° > 0 → ΔG° < 0 | Реакція спонтанна (гальванічний елемент) |
| E° < 0 → ΔG° > 0 | Реакція неспонтанна (потрібен електроліз) |
| E° = 0 → ΔG° = 0 | Система в рівновазі |
✦ Ця формула пов'язує термодинаміку (ΔG°) з електрохімією (E°) через сталу Фарадея F і число перенесених електронів n.
Як користуватися шпаргалкою
Ця шпаргалка зосереджує найважливіші формули, правила та визначення електрохімії в компактному форматі для швидкого пошуку та підготовки до іспитів. Матеріал охоплює гальванічні елементи, ЕРС, ряд активності металів, електроліз і закони Фарадея — від базових понять до практичних розрахунків.
Ефективне використання
Найпоширеніша помилка студентів — плутанина полярності анода й катода. Запам'ятайте: анод — завжди окиснення, катод — завжди відновлення, незалежно від типу комірки; змінюється лише знак "+"/"−". Використовуйте шпаргалку поряд з розв'язуванням задач — не для списування, а як довідник формул. Спершу спробуйте пригадати формулу самостійно, потім звіртеся з довідником.
Часті запитання (FAQ)
Що таке гальванічний елемент і як він створює електричний струм?
Гальванічний елемент — це пристрій, що перетворює енергію спонтанної окисно-відновної реакції на електричну. На аноді відбувається окиснення (втрата електронів), на катоді — відновлення (приєднання електронів). Електрони рухаються зовнішнім колом від аноду до катоду, створюючи струм, а йони переміщуються через сольовий місток або пористу перегородку для збереження електронейтральності розчинів.
Навіщо потрібен ряд активності металів і як він прогнозує реакції?
Ряд активності (електрохімічний ряд напруг) впорядковує метали за здатністю віддавати електрони — від найактивнішого (Li) до найменш активного (Au). Метал, розташований лівіше, здатний витісняти з розчину солі метал, розташований правіше, оскільки має сильнішу тенденцію до окиснення. Це дозволяє швидко визначити напрямок спонтанної окисно-відновної реакції без розрахунку E°.
Що встановлює закон електролізу Фарадея?
Закон Фарадея пов'язує масу речовини, що виділилася на електроді, з кількістю електрики: m = M·I·t / (n·F), де M — молярна маса, I — сила струму, t — час, n — число електронів у напівреакції, F = 96485 Кл/моль — стала Фарадея. Маса продукту прямо пропорційна заряду, що пройшов через електроліт.
Чим гальванічний елемент відрізняється від електролізу?
Гальванічний елемент виробляє електричну енергію за рахунок спонтанної реакції (ΔG < 0, E° > 0): анод тут "−", катод "+". Електроліз, навпаки, споживає зовнішню електричну енергію, щоб примусити відбутися неспонтанну реакцію (ΔG > 0): полярність електродів протилежна — анод стає "+", катод "−". Але в обох випадках анод — це завжди місце окиснення, а катод — завжди місце відновлення.
Де на практиці застосовується електрохімія?
Електрохімія лежить в основі батарей і акумуляторів (гальванічні елементи), гальванопластики та нанесення захисних покриттів (електроліз), рафінування металів (наприклад, міді), а також протикорозійного захисту методом протекторного (жертовного) анода, який використовує різницю активності металів у ряду напруг.