Наиболее важная стадия любого электрохимического процесса – стадия переноса заряда, она протекает на межфазной границе электрод-электролит в пределах ДЭС, в его плотной части (слой Гельмгольца). Особенностью стадии переноса зарядов является обязательное участие электронов в процессе, источник электронов – металл или электрод; ионы раствора в свободном виде или в виде комплексов диффундируют (перемещаются посредством диффузии к межфазной границе), входят в плотный слой Гельмгольца, то есть адсорбируются на поверхности электрода за счет электростатических сил; в слое Гельмгольца ионы принимают или отдают электрон; процесс переноса электронов, степень переноса заряда с электрода на реагирующую частицу или обратно определяется или зависит от электрического поля ДЭС. Образующиеся продукты реакции уходят в раствор (десорбируются с поверхности) или образуют на поверхности новую фазу, такой новой фазой являются: металлопокрытия (осадки металла), осадки оксидов или нерастворимых солей. С образованием новой фазы дальнейшее протекание процесса будет зависеть от свойств в этой фазе, в частности от диффузии образующихся частиц через слой фазы. В зависимости от соотношения коэффициента диффузии реагирующих частиц в слое фазы, дальнейшее протекание электродного процесса может концентрироваться или на внешней границе новой фазы (раствор электролита), или на внутренней границе, где образовавшаяся фаза соприкасается с электродом. В связи с этим любой электрохимический процесс включает стадии диффузии, адсорбции, переноса заряда, кристаллизации новой фазы. Скорость суммарного процесса будет определяться скоростью самой медленной стадии. Соответственно этому различают электрохимические процессы, протекающие с перенапряжением диффузии, с перенапряжением переноса заряда, перенапряжением кристаллизации. Процесс кристаллизации – частный случай гетерогенной химической реакции. Возможны реакции, скорость которых лимитируется химической реакцией, протекающей у поверхности электрода (перенапряжение гомогенной химической стадии). Кинетические характеристики каждой из лимитирующих стадий можно определить с помощью следующих электрохимических методов: метод гальваностатической кривой – потенциал, время (хронопотенциометрия); метод потенциостатических кривых – плотность тока, время (хроноамперометрия); метод потенциодинамических кривых (хроновольтамперометрия): особенностью метода является то, что изменение силы тока во времени регистрируется параллельно с изменением потенциала. Потенциал на электрод подается с определенной линейной скоростью.
В последние годы накоплен большой экспериментальный материал, который показывает, что электроны могут переходить в раствор и там существовать длительное время в виде самостоятельных частиц. Присутствие электронов в растворе в сольватированном виде может значительно изменять структуру раствора и оказывать влияние на механизм поведения компонентов раствора в ДЭС. Это направление широко развивается, так как открывает возможности для создания принципиально новых технологий, получения новых материалов. Это направление – электронная электрохимия. В настоящее время с помощью различных физико-химических методов достаточно подробно изучена диффузия водорода в металлах и сплавах. Полученные данные способствуют развитию применения водорода в энергетике (топливные элементы и солнечные батареи), а так же радиотехнике и оптоэлектронике. Открытие металлической связи в водородном соединении металлов используется для разработки «элементов памяти», которые способны реагировать на внешние воздействия и восстанавливать свою форму после прекращения такого воздействия. Кроме того, благодаря открытию металлической связи развиваются «аккумуляторы Н2», которые представляют собой металлические сплавы, способные поглощать большие количества Н2, а при каком-либо внешнем воздействии выделять этот Н2 для практического применения (металлогидридные аккумуляторы).
Проводники
Очень часто электроны (особенно те, которые слабо связаны с ядром атома) могут покинуть свою орбиту, перейти в междуатомное пространство. Такие электроны называются свободными. Вещества, в междуатомном пространстве которых всегда есть свободные электроны, относятся к проводникам первого рода, и ток в проводнике создается свободными электронами. К ним относятся все металлы. На практике это провода, жилы кабелей, контакты реле, нити эл. ламп и т.д.
Растворы кислот, солей и щелочей (электролиты), относятся к проводникам второго рода. В электролите непрерывно образуются положительные и отрицательные ионы. Электрический ток в электролите создается не свободными электронами, а ионами.
Из школьного курса по физике электрический ток это: направленное движение электронов в проводнике или направленное движение ионов в электролите. Электрический ток существует в проводниках, полупроводниках, так же в газах, вакууме и др.
Полупроводники
В настоящее время широчайшее применение нашли полупроводники. В основном это кристаллы кремния и германия. В обычных условиях свободных электронов в этих веществах очень мало и они плохо проводят электрический ток.
Но при нагревании или под действием света, электрических или магнитных полей, радиоактивного излучения и других факторов количество свободных электронов в полупроводнике возрастает и он начинает проводить электрический ток. Это, так называемая, электронная или дырочная проводимость — характерный признак полупроводников.
На практике это полупроводниковые диоды, транзисторы, микросхемы и многое другое.
Диэлектрики
В обычных условиях в диэлектрике нет ни свободных электронов ни ионов, а значит и ток через них не проходит. На практике это такие вещества, как резина, стекло, слюда, фарфор и множество других.
Диэлектрики широко применяются в электротехнике в качестве изоляторов (прокладки, оплетки проводов и кабелей, каркасы электрических узлов и др.). Если к диэлектрику приложить очень высокое напряжение, может произойти электрический пробой и он превратится в проводник — потеряет свои диэлектрические свойства.
Контрольные вопросы:
1. Дайте определение электрохимии.
2. Какие процессы называются электрохимическими?
3. Какова область приложения электрохимических процессов?
4. Каков механизм протекания электрохимических процессов?
5. Как образуется ДЭС при протекании электрохимического процесса? Приведите примеры для различных фазовых разделов.
6. Как возникают электродные потенциалы?
7. Как классифицируют материалы по электрической проводимости?