Электрохимические процессы представляют собой совокупность явлений, связанных с преобразованием химической энергии в электрическую и наоборот. Их классификация основывается на характере протекающих реакций, типе систем, в которых они происходят, а также на направлениях практического применения.
1. Самопроизвольные электрохимические процессы К ним относятся процессы, в которых химическая реакция сопровождается выделением электрической энергии. Примером служит работа гальванических элементов и топливных ячеек. Здесь электроны самопроизвольно переходят от восстановителя к окислителю через внешнюю цепь.
2. Несамопроизвольные электрохимические процессы Эти процессы протекают только при подводе энергии извне, чаще всего в виде электрического тока. К ним относятся электролиз, гальваностегия и электрометаллургия. В таких системах электрическая энергия превращается в химическую.
1. Электродные процессы Протекают на границе раздела электрод–электролит. Здесь происходят реакции окисления и восстановления, сопровождающиеся переносом электронов через границу фаз. Важными примерами являются анодное окисление металлов и катодное восстановление ионов.
2. Объёмные процессы Связаны с переносом ионов внутри раствора или твердого электролита. Сюда относятся миграция, диффузия и конвекция ионов, влияющие на скорость и полноту протекания реакций.
1. Гальванические элементы Системы, в которых химическая реакция приводит к возникновению электрического тока. Разделяются на первичные (неперезаряжаемые, например элемент Лекланше) и вторичные (аккумуляторы, например свинцово-кислотные или литий-ионные).
2. Электролизёры Установки, где электрический ток используется для инициирования химических превращений. Применяются для получения водорода, хлора, щелочных металлов и других веществ.
3. Топливные элементы Системы, в которых химическая энергия топлива (водорода, метана, спиртов) преобразуется в электрическую без промежуточного сгорания. Отличаются высокой эффективностью и экологичностью.
4. Электрохимические сенсоры и ячейки с твёрдым электролитом Применяются в аналитической химии и энергетике. Их работа основана на избирательной проводимости твердых ионных проводников.
1. Энергетические процессы Включают работу аккумуляторов, гальванических и топливных элементов. Основная цель – получение электрической энергии.
2. Синтетические процессы Осуществляются при электролизе и электросинтезе. Используются для получения алюминия, натрия, магния, галогенов, а также органических соединений.
3. Защитные процессы Основаны на электрохимическом осаждении покрытий и катодной защите металлов от коррозии.
4. Аналитические процессы Включают электрохимические методы анализа: потенциометрию, кулонометрию, кондуктометрию и вольтамперометрию.
1. Окислительно-восстановительные процессы Ключевая группа, так как электрохимия напрямую связана с переносом электронов. На аноде всегда протекает окисление, на катоде – восстановление.
2. Адсорбционные и каталитические процессы Протекают на поверхности электродов и определяют кинетику реакций. Сюда входят процессы с участием промежуточных адсорбированных частиц, каталитическое ускорение разряда ионов.
3. Массообменные процессы Ограничиваются скоростью диффузии или миграции ионов в растворе. Именно этот механизм часто определяет предельные токи в электрохимических системах.
1. Жидкофазные процессы Наиболее распространённые, происходят в растворах кислот, щелочей и солей.
2. Твёрдофазные процессы Реализуются в твёрдых ионных проводниках, например в керамических электролитах, используемых в топливных элементах.
3. Газофазные процессы Возможны в высокотемпературных системах или при взаимодействии газа с твёрдым электродом, например в кислородных топливных элементах.