Standardowy potencjał elektrody - Standard electrode potential

W elektrochemii , potencjał standardowy ( E °) jest zdefiniowana jako Wartość standardowej siły elektromotorycznej ogniwa, w których cząsteczkowy wodór pod normalnym ciśnieniem są utleniane do solwatowanych protonów na elektrodzie lewostronnego .

Podstawą ogniwa elektrochemicznego , takiego jak ogniwo galwaniczne , jest zawsze reakcja redoks, która może być rozłożona na dwie reakcje połówkowe : utlenianie na anodzie (utrata elektronu) i redukcja na katodzie (zyskanie elektronu). Energia elektryczna jest generowana z powodu różnicy potencjałów elektrycznych między dwiema elektrodami. Ta różnica potencjałów powstaje w wyniku różnicy pomiędzy poszczególnymi potencjałami dwóch elektrod metalowych w stosunku do elektrolitu . (Elektroda odwracalna to elektroda, która swój potencjał zawdzięcza zmianom o charakterze odwracalnym , w przeciwieństwie do elektrod stosowanych w galwanizacji, które ulegają zniszczeniu podczas użytkowania.) Jest to miara redukcji mocy dowolnego pierwiastka lub związku.

Chociaż można zmierzyć całkowity potencjał ogniwa, nie ma prostego sposobu dokładnego pomiaru potencjałów elektrody/elektrolitu w izolacji. Potencjał elektryczny zmienia się również w zależności od temperatury, stężenia i ciśnienia. Ponieważ potencjał utleniania reakcji połówkowej jest ujemny od potencjału redukcji w reakcji redoks, wystarczy obliczyć jeden z potencjałów. Dlatego też standardowy potencjał elektrody jest powszechnie zapisywany jako standardowy potencjał redukcyjny. Na każdym styku elektroda-elektrolit występuje tendencja do osadzania się jonów metali z roztworu na elektrodzie metalowej, próbując naładować ją dodatnio. Jednocześnie atomy metalu znajdujące się na elektrodzie mają tendencję do wnikania do roztworu w postaci jonów i pozostawiania elektronów na elektrodzie, próbując naładować ją ujemnie. W stanie równowagi następuje separacja ładunków iw zależności od tendencji dwóch przeciwstawnych reakcji elektroda może być naładowana dodatnio lub ujemnie w stosunku do roztworu. Między elektrodą a elektrolitem powstaje różnica potencjałów, którą nazywamy potencjałem elektrody . Gdy stężenia wszystkich gatunków biorących udział w półogniu są jednością, potencjał elektrody jest znany jako standardowy potencjał elektrody. Zgodnie z konwencją IUPAC, standardowe potencjały redukcyjne są obecnie nazywane standardowymi potencjałami elektrodowymi. W ogniwie galwanicznym półogniwo, w którym zachodzi utlenianie, nazywane jest anodą i ma potencjał ujemny w stosunku do roztworu. Drugie półogniwo, w którym zachodzi redukcja, nazywa się katodą i ma dodatni potencjał w stosunku do roztworu. Tak więc istnieje różnica potencjałów między dwiema elektrodami i gdy tylko przełącznik jest w pozycji włączonej, elektrony przepływają od elektrody ujemnej do elektrody dodatniej. Kierunek przepływu prądu jest przeciwny do kierunku przepływu elektronów.

Obliczenie

Potencjału elektrody nie można uzyskać empirycznie. W ogniwo galwaniczne wyniki potencjalni ze pary elektrod. Zatem tylko jedna wartość empiryczna jest dostępna w parze elektrod i nie jest możliwe określenie wartości dla każdej elektrody w parze przy użyciu empirycznie uzyskanego potencjału ogniwa galwanicznego. Należy ustalić elektrodę odniesienia, standardową elektrodę wodorową (SHE), dla której potencjał jest zdefiniowany lub uzgodniony umownie. W tym przypadku standardowa elektroda wodorowa jest ustawiona na 0,00 V i każda elektroda, dla której potencjał elektrody nie jest jeszcze znany, może być sparowana ze standardową elektrodą wodorową – tworząc ogniwo galwaniczne – a potencjał ogniwa galwanicznego daje potencjał nieznanej elektrody . Stosując ten proces, dowolną elektrodę o nieznanym potencjale można sparować ze standardową elektrodą wodorową lub inną elektrodą, dla której potencjał został już wyznaczony i można ustalić tę nieznaną wartość.

Ponieważ potencjały elektrody są konwencjonalnie definiowane jako potencjały redukcyjne, znak potencjału utlenianej elektrody metalowej musi być odwrócony podczas obliczania całkowitego potencjału ogniwa. Potencjały elektrody są niezależne od liczby przeniesionych elektronów — są one wyrażone w woltach, które mierzą energię na przeniesiony elektron — a zatem oba potencjały elektrod można po prostu połączyć, aby uzyskać całkowity potencjał komórki, nawet jeśli w grę wchodzą różne liczby elektronów dwie reakcje elektrodowe.

W celu wykonania praktycznych pomiarów elektrodę, o której mowa, podłącza się do dodatniego zacisku elektrometru , podczas gdy standardowa elektroda wodorowa jest podłączona do ujemnego zacisku.

Standardowa tabela potencjału redukcyjnego

Im większa jest wartość standardowego potencjału redukcyjnego, tym łatwiej jest zredukować pierwiastek (uzyskać elektrony ); innymi słowy, są lepszymi utleniaczami . Na przykład F 2 ma standardowy potencjał redukcyjny +2,87 V, a Li + ma -3,05 V:

F
2
( g ) + 2 e 2  F
= +2,87 V
Li+
+ e ⇌   Li ( s ) = -3,05 V

Wysoce dodatni standardowy potencjał redukcyjny F 2 oznacza, że ​​jest on łatwo redukowany i dlatego jest dobrym środkiem utleniającym. W przeciwieństwie do tego, znacznie ujemny standardowy potencjał redukcyjny Li + wskazuje, że nie jest to łatwe do zredukowania. Zamiast tego Li ( s ) raczej ulegałby utlenianiu (stąd jest dobrym środkiem redukującym ). Zn 2+ ma standardowy potencjał redukcyjny -0,76 V i dlatego może być utleniony dowolną inną elektrodą, której standardowy potencjał redukcyjny jest większy niż -0,76 V (np. H + (0 V), Cu 2+ (0,34 V), F 2 (2,87 V)) i może być redukowana dowolną elektrodą o standardowym potencjale redukcji poniżej -0,76 V (np. H 2 (-2,23 V), Na + (-2,71 V), Li + (-3,05 V)).

W ogniwie galwanicznym, gdzie spontaniczna reakcja redoks napędza ogniwo do wytworzenia potencjału elektrycznego, energia swobodna Gibbsa Δ G ° musi być ujemna, zgodnie z następującym równaniem:

Δ G ° komórka = − nFE ° komórka

gdzie n to liczba moli elektronów na mol produktu, a F to stała Faradaya ~96485 C/mol. W związku z tym obowiązują następujące zasady:

Jeżeli E ° ogniwo > 0 to proces jest spontaniczny ( ogniwo galwaniczne )
Jeśli E ° ogniwo < 0, to proces jest niespontaniczny ( ogniwo elektrolityczne )

Zatem aby mieć reakcję spontaniczną (ΔG° < 0), komórka E ° musi być dodatnia, gdzie:

„E° ogniwo = E ° katodaE ° anoda

gdzie E ° anoda jest standardowym potencjałem na anodzie, a E ° katoda jest standardowym potencjałem na katodzie, jak podano w tabeli standardowych potencjałów elektrody.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Zumdahl, Steven S., Zumdahl, Susan A (2000) Chemia (5 wyd.), Houghton Mifflin Company. ISBN  0-395-98583-8
  • Atkins, Peter, Jones, Loretta (2005) Zasady chemiczne (3rd ed.), WH Freeman and Company. ISBN  0-7167-5701-X
  • Zu, Y, Couture, MM, Kolling, DR, Crofts, AR, Eltis, LD, Opłata, JA, Hirst, J (2003) Biochemia , 42, 12400-12408
  • Shuttleworth, SJ (1820) Elektrochemia (50 wyd.), Harper Collins.

Zewnętrzne linki