Lernergebnisse
- Beschreiben und beziehen Sie die Definitionen der Elektroden- und Zellpotentiale
- Interpretieren Sie die Elektrode Potentiale in Bezug auf relative Oxidationsmittel- und Reduktionsmittelstärken
- Berechnen Sie die Zellpotentiale und sagen Sie die Redox-Spontaneität unter Verwendung von Standardelektrodenpotentialen voraus.
Im Gegensatz zur spontanen Oxidation von Kupfer durch Wasser Silber (I) -Ionen, beschrieben in Abschnitt 17.2, Eintauchen eines Kupferdrahtes in eine wässrige Lösung von Blei (II) -Ionen ergibt keine Reaktion. Die beiden Spezies Ag + (aq) und Pb2 + (aq) zeigen somit einen deutlichen Unterschied in ihrer Redoxaktivität gegenüber Kupfer: Das Silberion oxidierte Kupfer spontan, das Bleiion jedoch nicht. Elektrochemische Zellen ermöglichen die Quantifizierung dieser relativen Redoxaktivität durch eine leicht zu messende Eigenschaft, ein Potential. Diese Eigenschaft wird im Zusammenhang mit elektrischen Anwendungen häufiger als Spannung bezeichnet und ist ein Maß für die Energie, die mit der Ladungsübertragung einhergeht. Potentiale werden in der Volt-Einheit gemessen, definiert als ein Joule Energie pro Coulomb Ladung, V = J / C.
Bei der Messung für Zwecke der Elektrochemie spiegelt ein Potential die treibende Kraft für einen bestimmten Typ wider des Ladungsübertragungsprozesses, nämlich der Übertragung von Elektronen zwischen Redoxreaktanten. In Anbetracht der Art des Potentials in diesem Zusammenhang ist klar, dass das Potential einer einzelnen Halbzelle oder einer einzelnen Elektrode nicht gemessen werden kann. Die „Übertragung“ von Elektronen erfordert sowohl einen Donor als auch einen Empfänger, in diesem Fall ein Reduktionsmittel bzw. ein Oxidationsmittel. Stattdessen kann ein Halbzellenpotential nur relativ zu dem einer anderen Halbzelle bewertet werden. Es ist nur die Potentialdifferenz zwischen zwei Halbzellen, die gemessen werden können, und diesen gemessenen Potentialen werden Zellpotentiale Ecell genannt, definiert als
wobei Ecathode und Eanode die Potentiale zweier verschiedener Hälften sind -Zellen, die wie in den Indizes angegeben funktionieren. Wie bei anderen thermodynamischen Größen ist das Standardzellpotential, E ° -Zelle, ein Zellpotential, das gemessen wird, wenn sich beide Halbzellen unter Standardzustandsbedingungen befinden (1 M-Konzentrationen, 1 bar Druck, 298) K):
Zur Vereinfachung der Sammlung Bei der Weitergabe potenzieller Daten für Halbreaktionen hat die wissenschaftliche Gemeinschaft eine bestimmte Halbzelle als universelle Referenz für Zellpotentialmessungen ausgewiesen und ihr ein Potential von genau 0 V zugewiesen. Diese Halbzelle ist die Standard-Wasserstoffelektrode (SIE) und basiert auf der folgenden Halbreaktion:
Ein typisches SHE enthält eine inerte Platinelektrode, die in genau 1 M wässriges H + eingetaucht ist, und einen Strom von sprudelndem H2-Gas bei 1 bar Druck, die alle bei gehalten werden eine Temperatur von 298 K (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1. Eine Standard-Wasserstoffelektrode ( SHE).
Das zugewiesene Potential des SHE ermöglicht die Definition eines bequem gemessenen Potentials für eine einzelne Halbzelle. Das Elektrodenpotential (EX) für eine Halbzelle X ist definiert als das Potential, das für eine Zelle gemessen wird, die aus X als Kathode und SHE als Anode besteht:
Wenn sich die Halbzelle X unter Standardzustandsbedingungen befindet, ist ihre Potential ist das Standardelektrodenpotential E ° X. Da die Definition des Zellpotentials erfordert, dass die Halbzellen als Kathoden fungieren, werden diese Potentiale manchmal als Standardreduktionspotentiale bezeichnet.
Dieser Ansatz zur Messung von Elektrodenpotentialen ist in 2 dargestellt, die eine Zelle darstellt, die aus a besteht SIE ist unter Standardbedingungen an eine Kupfer (II) / Kupfer (0) -Halbzelle angeschlossen. Ein Voltmeter im externen Stromkreis ermöglicht die Messung der Potentialdifferenz zwischen den beiden Halbzellen. Da die Cu-Halbzelle in der Definition des Zellpotentials als Kathode bezeichnet wird, ist sie mit dem roten (positiven) Eingang des Voltmeters verbunden, während die bezeichnete SHE-Anode mit dem schwarzen (negativen) Eingang verbunden ist. Diese Verbindungen stellen sicher, dass das Vorzeichen des gemessenen Potentials mit den Vorzeichenkonventionen der Elektrochemie gemäß den verschiedenen oben diskutierten Definitionen übereinstimmt. Ein Zellenpotential von +0,337 V wird gemessen, und so
Auf ähnliche Weise gemessene Tabellen der E ° -Werte für andere Halbzellen sind als Referenzliteratur verfügbar, um Berechnungen der Zellpotentiale und der Vorhersage zu ermöglichen der Spontaneität von Redoxprozessen.
Abbildung 2. Eine Zelle, die eine experimentelle Messung der Standardelektrode ermöglicht Potential für die Halbreaktion Cu2 + (aq) + 2e – uCu (s)
Tabelle 1 enthält eine Auflistung der Standardelektrodenpotentiale für eine Auswahl von Halbreaktionen in numerischer Reihenfolge und Eine ausführlichere Auflistung finden Sie unter Standardelektrodenpotentiale (Halbzellenpotentiale).
Darstellung von Elektroden- und Zellpotentialen
Überlegen Sie sich sorgfältig die Definitionen der Zell- und Elektrodenpotentiale und die Beobachtungen von Spontan Bisher präsentierte Redoxänderung, eine signifikante Beziehung wird festgestellt. Der vorige Abschnitt beschrieb die spontane Oxidation von Kupfer durch wässrige Silber (I) -Ionen, jedoch keine beobachtete Reaktion mit wässrigen Blei (II) -Ionen. Die Ergebnisse der Berechnungen in Beispiel 1 haben gerade gezeigt, dass der spontane Prozess durch ein positives Zellpotential beschrieben wird, während der nicht spontane Prozess ein negatives Zellpotential aufweist. In Bezug auf die relative Wirksamkeit („Stärke“), mit der wässrige Ag + – und Pb2 + -Ionen Cu unter Standardbedingungen oxidieren, ist das stärkere Oxidationsmittel dasjenige, das das größere Standardelektrodenpotential E ° aufweist. Da üblicherweise Elektrodenpotentiale für sind Reduktionsprozesse, ein erhöhter Wert von E ° entspricht einer erhöhten treibenden Kraft hinter der Reduktion der Spezies (daher erhöhte Wirksamkeit ihrer Wirkung als Oxidationsmittel bei einigen anderen Spezies). Negative Werte für Elektrodenpotentiale sind einfach eine Folge der Zuweisung von a Ein Wert von 0 V für die SHE zeigt an, dass der Reaktant der Halbreaktion ein schwächeres Oxidationsmittel als wässrige Wasserstoffionen ist.
Die Anwendung dieser Logik auf die numerisch geordnete Auflistung der Standardelektrodenpotentiale in Tabelle 1 zeigt diese Auflistung ebenfalls in der Reihenfolge der Oxidationsstärke der Reaktantenspezies der Halbreaktion, abnehmend vom stärksten Oxidationsmittel (positivstes E °) zum schwächsten Oxidationsmittel (negativstes E °). Pr Entscheidungen über die Spontaneität von Redoxreaktionen unter Standardzustandsbedingungen können dann leicht getroffen werden, indem einfach die relativen Positionen ihrer Tabelleneinträge verglichen werden. Per Definition ist die E ° -Zelle positiv, wenn die E ° -Kathode > E ° -Anode ist, und daher wird vorausgesagt, dass jede Redoxreaktion, bei der der Eintritt des Oxidationsmittels über dem Eintritt des Reduktionsmittels liegt, spontan ist / p>
Eine erneute Prüfung der beiden Redoxreaktionen in Beispiel 1 unterstützt diese Tatsache. Der Eintrag für die Silber (I) / Silber (0) -Halbreaktion liegt über dem für die Kupfer (II) / Kupfer (0) -Halbreaktion, so dass die Oxidation von Cu durch Ag + als spontan (E °) vorausgesagt wird Kathode > E ° -Anode und damit E ° -Zelle > 0). Umgekehrt liegt der Eintrag für die Halbzelle Blei (II) / Blei (0) unter dem für Kupfer (II) / Kupfer (0), und die Oxidation von Cu durch Pb2 + ist nicht spontan (E ° -Kathode < E ° -Anode und damit E ° -Zelle < 0).
Unter Hinweis auf das Kapitel über Thermodynamik, die Spontaneitätigkeiten von Vorwärts und Rückwärts Reaktionen eines reversiblen Prozesses zeigen eine wechselseitige Beziehung: Wenn ein Prozess in einer Richtung spontan ist, ist er in der entgegengesetzten Richtung nicht spontan. Als Indikator für die Spontaneität von Redoxreaktionen zeigt das Potenzial einer Zellreaktion eine Folgebeziehung in ihrem arithmetischen Vorzeichen. Die spontane Oxidation von Kupfer durch Blei (II) -Ionen wird nicht beobachtet, und daher wird vorausgesagt, dass die Umkehrreaktion, die Oxidation von Blei durch Kupfer (II) -Ionen, spontan erfolgt:
Es ist zu beachten, dass das Umkehren der Richtung einer Redoxreaktion die Identitäten der Kathoden- und Anodenhalbreaktionen effektiv vertauscht und daher das Zellpotential aus Elektrodenpotentialen in der umgekehrten Subtraktionsreihenfolge als für die Vorwärtsreaktion berechnet wird. In der Praxis würde ein Voltmeter ein Potential von –0,47 V melden, wenn seine roten und schwarzen Eingänge mit den Pb- bzw. Cu-Elektroden verbunden sind. Wenn die Eingänge vertauscht würden, wäre die gemeldete Spannung +0,47 V.
Sie können das Transkript für „Zellpotentialprobleme – Elektrochemie“ hier anzeigen (wird in einem neuen Fenster geöffnet).
Schlüsselkonzepte und Zusammenfassung
Die Eigenschaft des Potentials E ist die Energie, die mit der Trennung / Übertragung von Ladung verbunden ist. In der Elektrochemie sind die Potentiale von Zellen und Halb- Zellen sind thermodynamische Größen, die die treibende Kraft oder die Spontaneität ihrer Redoxprozesse widerspiegeln. Das Zellpotential einer elektrochemischen Zelle ist der Unterschied zwischen Kathode und Anode.Um einen einfachen Austausch von Halbzellenpotentialdaten zu ermöglichen, wird der Standardwasserstoffelektrode (SHE) ein Potential von genau 0 V zugewiesen und verwendet, um ein einzelnes Elektrodenpotential für eine gegebene Halbzelle zu definieren. Das Elektrodenpotential einer Halbzelle EX ist das Zellpotential der Halbzelle, die als Kathode wirkt, wenn sie mit einer SHE verbunden ist, die als Anode wirkt. Wenn die Halbzelle unter Standardzustandsbedingungen arbeitet, ist ihr Potential das Standardelektrodenpotential E ° X. Standardelektrodenpotentiale spiegeln die relative Oxidationsstärke des Reaktanten der Halbreaktion wider, wobei stärkere Oxidationsmittel größere (positivere) E ° X-Werte aufweisen. Tabellen von Standardelektrodenpotentialen können verwendet werden, um Standardzellpotentiale, E ° -Zelle, für viele Redoxreaktionen zu berechnen. Das arithmetische Vorzeichen eines Zellpotentials zeigt die Spontaneität der Zellreaktion mit positiven Werten für spontane Reaktionen und negativen Werten für nicht spontane Reaktionen (spontan in umgekehrter Richtung) an.
Schlüsselgleichungen
- {E} _ {\ text {cell}} ^ {\ circ} = {E} _ {\ text {cathode}} ^ {\ circ} – {E} _ {\ text {anode}} ^ {\ circ}
Glossar
Standardzellenpotential \ left ({E} _ {\ text {cell}} ^ {\ circ} \ rechts): das Zellpotential, wenn sich alle Reaktanten und Produkte in ihrem Standardzustand befinden (1 bar oder 1 atm oder Gase; 1 M für gelöste Stoffe), üblicherweise bei 298,15 K; kann berechnet werden, indem das Standardreduktionspotential für die Halbreaktion an der Anode vom Standardreduktionspotential für die an der Kathode auftretende Halbreaktion (SHE) subtrahiert wird: Die Elektrode besteht aus Wasserstoff Gas, das durch Salzsäure über eine inerte Platinelektrode sprudelt, deren Reduktion unter Standardbedingungen einen Wert von 0 V erhält; der Bezugspunkt für Standardreduktionspotentiale
Standardreduktionspotential (E °): der Wert der Reduktion unter Standardbedingungen (1 bar oder 1 atm für Gase; 1 M für gelöste Stoffe) üblicherweise bei 298,15 K; tabellarische Werte zur Berechnung der Standardzellpotentiale
