 |
|
Исходные знания по теме
Электрохимические процессы в водных системах
Учебное пособие
Иваново 2014
Содержание
| Раздел | Стр. |
| Введение | |
| Исходные знания по теме | |
| Методические указания по самоподготовке | |
| Примеры решения ситуационных задач | |
| Основные положения темы | |
| Проводники первого и второго рода. Явления, связанные с перемещением ионов | |
| Закон Кольрауша | |
| Пример решения ситуационной задачи | |
| Электрометрические методы анализа | |
| Электродные потенциалы | |
| Направление протекания окислительно - восстановительных реакций | |
| Гальванические элементы | |
| Диффузионный и мембранный потенциалы | |
| Потенциометрия. Виды электродов | |
| Потенциометрический метод определения рН растворов | |
| Электрохимические процессы в биологических системах | |
| Физико - химические принципы транспорта электронов в электроно - транспортной цепи митохондрий | |
| Токсическое действие окислителей. Применение окислительно-восстановительных реакций для детоксикации | |
| Коррозия металлов | |
| Экспериментальная часть | |
| Контрольно-ситуационные задачи | |
| Рекомендуемая литература |
Электрохимия, как часть раздела "Основные типы химических равновесий и процессов в функционировании живых систем" входит в рабочую программу дисциплины Химия для студентов 1 курса по специальностям «лечебное дело», «педиатрия» и «стоматология» в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом (ФГОС) высшего профессионального медицинского образования. Она является связующим звеном между школьным курсом химии и дисциплинами высшей школы, такими как биохимия, фармакология, токсикология и медицинская защита от радиационных и химических поражений. Поэтому в начале указаний содержится материал базового курса химии по теме «Электролиз расплавов и водных растворов солей», являющийся критерием для оценки остаточных знаний студентов 1 курса. Далее в тексте содержится теоретический материал и ситуационные задачи по темам:
• Проводники первого и второго рода. Явления, связанные с перемещением ионов; Закон Кольрауша;
• Электрометрические методы анализа;
• Электродные потенциалы;
• Уравнения Нернста-Петерса;
• Гальванические элементы;
• Диффузионный и мембранный потенциалы;
• Потенциометрия. Потенциометрический метод определения рН растворов;
• Окислительно - восстановительные (редокс) реакции в биологических процессах; Константа окислительно-восстановительного процесса;
• Механизм возникновения электродного и редокс-потенциалов;
• Прогнозирование направления редокс-процессов по величинам редокс-потенциалов;
• Физико - химические принципы транспорта электронов в электроно - транспортной цепи митохондрий;
• Общие представления о механизме действия редокс-буферных систем;
• Токсическое действие окислителей; Применение окислительно-восстановительных реакций для детоксикации;
• Контрольно-ситуационные задачи.
Введение
Электрохи́мия — раздел химической науки, в котором рассматриваются системы и межфазные границы при протекании через них электрического тока. Исследуются процессы окисления и восстановления, протекающие на пространственно-разделённых электродах, перенос ионов и электронов, т.е. изучается превращение энергии химических реакций в электрическую энергию, и наоборот.
В настоящее время получило развитие новое научное направление - биоэлектрохимия, которая изучает электрохимические механизмы процессов, протекающих в живой клетке. Эти исследования привели к выводу, что электрохимия имеет фундаментальное значение для развития медицины. Круг изученных биологических систем, при исследовании которых нельзя обойтись без электрохимических методов и подходов, быстро расширяется. Анализ работы различных биологических систем показывает, что они основаны на электрохимических принципах. Электрохимический принцип лежит в основе большинства процессов жизнедеятельности организмов. Это универсальный принцип живой природы.
В данном учебно-методическом пособиисуммированы основные понятия и законы электрохимии таким образом, чтобы учащиеся получили стройную и целостную картину электрохимических процессов, протекающих в водных растворах, научились обобщать, дифференцировать знания и применять их при дальнейшем обучении (биохимия, фармакология, токсикология, судебная медицина и т.д.) и в профессиональной деятельности.
В результате освоения материала по данной теме студент приобретает знания, умения и навыки, требуемые ФГОС.
Знать:
физико-химическую сущность происходящих в живом организме процессов (на молекулярном и клеточном уровнях);
свойства воды и водных растворов;
основные типы химических равновесий (протеолитические, гетерогенные, окислительно-восстановительные) в процессах жизнедеятельности;
электролитный баланс организма человека;
коллигативные свойства растворов (диффузия);
электрохимический метод анализа в медицине (ОК-1, ПК-2);
Уметь:
прогнозировать направление и результат физико-химических процессов и химических превращений биологически важных веществ;
пользоваться номенклатурой IUPAC для составления названий по формулам типичных представителей биологически важных веществ и лекарственных препаратов (ОК-1, ПК-2);
владеть навыками:
самостоятельной работы с учебной, научной и справочной литературой; вести поиск и делать обобщающие выводы (ОК-1, ПК-2).
Исходные знания по теме
Знать основные термины, используемым в электрохимии:
Электролиты (от электро... и греч. lytos — разлагаемый, растворимый), жидкие или твёрдые вещества и системы, которые в результате процесса электролитической диссоциации образуют ионы, обусловливающие прохождение электрического тока. Электролиты в растворах подразделяют на сильные и слабые. Сильные Электролиты практически полностью диссоциированы на ионы в разбавленных растворах. Молекулы слабых электролитов в растворах лишь частично диссоциированы на ионы, которые находятся в динамическом равновесии с недиссоциированными молекулами.
Электролитическая диссоциация - процесс распада электролита на ионы при растворении его в полярном растворителе или при плавлении, например,
NaCl → Na+ + Cl –
Al(NO3)3 → Al +3 + 3NO3-
Ион - отрицательно или положительно заряженные частицы, образующиеся при присоединении или отдаче электронов атомами элементов (или группами атомов). Ионы бывают однозарядные (1+ или 1-), двухзарядные (2+ или 2-), трехзарядные и т.д.
Электрод - часть электрохимической системы, включающая в себя проводник (металлический или полупроводниковый) и окружающий его раствор. Например, Медный электрод, Водородный электрод, Хлорсеребряный электрод, Электрод сравнения, Стеклянный электрод.
Анод(др.-греч. ἄνοδος — движение вверх) — электрод некоторого прибора, присоединённый к положительному полюсу источника питания, на котором происходят реакции окисления.
Катод- (от греч. κάθοδος — ход вниз; возвращение) — электрод некоторого прибора, присоединённый к отрицательному полюсу источника тока, на котором происходят реакции восстановления.
Потенциал точечного заряда- работа по переносу заряда из точки в бесконечность. В Международной системе единиц (СИ) единицей потенциала является вольт (В).
1 В = 1 Дж / 1 Кл.
Потенциал поля в данной точке пространства равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.
Разность потенциалов- работа произвольного электрического стационарного поля по перемещению +1 заряда из одной точки в другую и называемая электрическим напряжением между этими точками (В).
Окислительно-восстановительные реакции(также редокс, англ. redox, от reduction-oxidation — окисление-восстановление) — это встречно-параллельные химические реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ. В процессе окислительно-восстановительной реакции восстановитель отдаёт электроны, то есть окисляется; окислитель присоединяет электроны, то есть восстанавливается. Окислительно-восстановительная реакция представляет собой единство двух противоположных превращений — окисления и восстановления, происходящих одновременно и без отрыва одного от другого.
Электролиз— (от электро... и греч. lysis - разложение, растворение, распад), окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита. Электролиз лежит в основе электрохимического метода лабораторного и промышленного получения различных веществ.
Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. Такими частицами могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны.
Выход по току η — это отношение массы полученного вещества в данных условиях электролиза к массе теоретически вычисленной на основании первого закона Фарадея.
η = m практ / m теор *100%
При электролизе всегда выделяется или растворяется меньше вещества, чем должно получиться по законам Фарадея. Это объясняется тем, что наряду с основными электродными процессами окисления и восстановления практически всегда протекают побочные реакции (взаимодействие образовавшихся при электролизе веществ с электролитом, выделение наряду с металлом на катоде водорода и др.). Кроме того, часть электрической энергии тратится на преодоление сопротивления электролита, то есть на нагрев электролита и электродов. Поэтому для экономической оценки процесса электролиза вводят такие понятия, как выход по току.
Закон Фарадея(первый): m = k q = k I t
масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит, если через него пропускается в течение времени t постоянный ток с силой тока I. Коэффициент пропорциональности называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.
Раствор — однородная смесь переменного состава, состоящая из двух или нескольких веществ и продуктов их взаимодействия.
Расплав — жидкое расплавленное состояние вещества при температурах, расположенных между температурами плавления и кипения. На практике расплавами, как правило, называют вещества, находящиеся в жидком агрегатном состоянии, которые при нормальных условиях существуют исключительно или преимущественно в твёрдом агрегатном состоянии.
Электрический заряд — это физическая векторная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Единица измерения заряда в Международной системе единиц (СИ) — кулон. Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя такого заряда расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой , с которой гравитация Земли притягивала бы предмет с массой порядка 1 миллиона тонн. Наименьшей по массе устойчивой в свободном состоянии частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд, является электрон (его масса равна 9,11·10−31 кг). Устойчивая частица с одним положительным элементарным зарядом — протон (масса равна 1,67·10−27 кг) существуют и другие, менее распространённые частицы.