Электрохимия изучает взаимосвязь между электрическими и химическими процессами, протекающими в растворах и твёрдых телах. Основными объектами исследования являются электролиты, электроды, ионные проводники и электрохимические ячейки. Электрохимические явления основаны на переносе электронов и ионов, что приводит к превращению химической энергии в электрическую и наоборот.
Электролиты — вещества, способные проводить электрический ток за счёт движения ионов. К ним относятся растворы кислот, оснований, солей и расплавленные соли. Электропроводность электролитов зависит от концентрации ионов, их подвижности и степени диссоциации вещества.
Электроды — проводники, на поверхности которых протекают электрохимические реакции. Электроды делятся на активные (участвуют в реакции, например, Zn, Cu) и пассивные (не реагируют с веществом, например, Pt, графит). Электродный потенциал определяется способностью электрода отдавать или принимать электроны при контакте с электролитом.
Электрохимические ячейки — устройства, в которых химическая энергия превращается в электрическую или электрическая энергия используется для проведения химических реакций. Ячейки бывают гальванические (самопроизвольные реакции, производство электричества) и электрохимические (питание реакций извне, электролиз).
Электродный потенциал характеризует склонность вещества к окислению или восстановлению. Он измеряется относительно стандартного водородного электрода, потенциал которого принимается равным нулю. Различие потенциалов двух электродов в ячейке создаёт электродное напряжение.
Стандартный электродный потенциал (E°) определяется при стандартных условиях: 1 М концентрация ионов, 1 атм давления, температура 298 K. Значение E° позволяет прогнозировать направление реакции: положительный потенциал указывает на благоприятность восстановления, отрицательный — на склонность к окислению.
Связь с термодинамикой выражается через уравнение Нернста:
$$ E = E^0 - \frac{RT}{nF} \ln Q $$
где E — потенциал при любых условиях, R — газовая постоянная, T — температура, n — число электронов, F — постоянная Фарадея, Q — реакционный коэффициент. Уравнение Нернста связывает электрохимию с концентрацией реагентов и термодинамическими параметрами реакции.
Гальваническая ячейка состоит из двух электродов и электролитов, разделённых пористой перегородкой или солевым мостиком, предотвращающим прямое смешивание растворов. На аноде происходит окисление, на катоде — восстановление. Пример: цинково-медная ячейка:
Напряжение ячейки определяется разностью электродных потенциалов: Ecell = Eкатод − Eанод.
Электролиз — процесс, при котором электрическая энергия используется для протекания не самопроизвольной химической реакции. Электролиз проводится в электрохимических ячейках с внешним источником тока.
На катоде происходит восстановление ионов, на аноде — окисление. Количество вещества, выделенного на электроде, вычисляется по закону Фарадея:
$$ m = \frac{Q \cdot M}{n \cdot F} $$
где m — масса вещества, Q — заряд, M — молярная масса, n — число электронов в реакции, F — постоянная Фарадея. Электролиз применяется в производстве металлов, гальваническом покрытии, получении газов (водорода, кислорода).
Электрохимические процессы делятся на:
Ключевые свойства:
Электрохимия лежит в основе:
Электрохимические методы позволяют изучать скорость и механизм реакций, контролировать качество и состав веществ, обеспечивать эффективное преобразование энергии и материалов.