Oppimistulokset
- Kuvaile elektrodi- ja solupotentiaalien määritelmiä ja yhdistä ne toisiinsa
- Tulkitse elektrodi potentiaalit suhteellisten hapettimien ja pelkistimien voimakkuuksien suhteen
- Laske solupotentiaalit ja ennusta redox-spontaanisuus käyttämällä tavallisia elektrodipotentiaaleja
Toisin kuin kupari spontaanissa hapetuksessa vesipitoisuudella kohdassa 17.2 kuvatut hopea (I) -ionit, kuparilangan upottaminen lyijy (II) -ionien vesiliuokseen ei tuota mitään reaktiota. Näillä kahdella lajilla, Ag + (aq) ja Pb2 + (aq), on siten selkeä ero redoksiaktiivisuudessaan kuparia kohtaan: hopeaioni hapettui spontaanisti kuparia, mutta lyijyioni ei. Sähkökemialliset solut mahdollistavat tämän suhteellisen redoksiaktiivisuuden kvantifioinnin helposti mitattavalla ominaisuudella, potentiaalilla. Tätä ominaisuutta kutsutaan yleisemmin jännitteeksi, kun viitataan sähköisiin sovelluksiin, ja se on energian mitta, joka seuraa varauksen siirtämistä. Potentiaalit mitataan volttiyksikössä, joka on määritelty yhdeksi jouleksi energiaa yhtä varauskulmaa kohti, V = J / C.
Elektrokemiaa varten mitattuna potentiaali heijastaa tietyn tyyppistä liikevoimaa. latauksensiirtoprosessista, nimittäin elektronien siirtämisestä redoksireagenssien välillä. Ottaen huomioon potentiaalin luonne tässä yhteydessä on selvää, että yksittäisen puolisolun tai yksittäisen elektrodin potentiaalia ei voida mitata; elektronien ”siirto” vaatii sekä luovuttajan että vastaanottajan, tässä tapauksessa vastaavasti pelkistimen ja hapettimen. Sen sijaan puolisolupotentiaali voidaan arvioida vain suhteessa toisen puolisolun potentiaaliin. Se on vain potentiaalieron kahden mitattavan puolisolun välillä, ja näitä mitattuja potentiaalia kutsutaan solupotentiaaliksi, Ecell, määritelty nimellä
jossa Ecathode ja Eanode ovat kahden eri puoliskon potentiaalia Kuten muissakin termodynaamisissa suuruuksissa, standardi solupotentiaali, E ° -solu, on solupotentiaali mitattuna, kun molemmat puolisolut ovat vakio-olosuhteissa (1 M pitoisuudet, 1 bar paineet, 298 K):
Keräyksen yksinkertaistaminen puolireaktioiden potentiaalitietojen jakamisesta ja jakamisesta tiedeyhteisö on nimennyt yhden tietyn puolisolun toimimaan universaalina referenssinä solupotentiaalimittauksissa osoittamalla sille täsmälleen 0 V: n potentiaali. Tämä puolisolu on tavallinen vetyelektrodi (SHE) ja se perustuu alla olevaan puolireaktioon:
Tyypillinen SHE sisältää inertin platinaelektrodin upotettuna tarkalleen 1 M vesipitoiseen H +: iin ja kuplivan H2-kaasuvirran 1 barin paineessa, kaikki pidetään lämpötila 298 K (katso kuva 1).
Kuva 1. Vetyelektrodi ( SHE).
SHE: n määritetty potentiaali sallii määritellä kätevästi mitatun potentiaalin yhdelle puolisolulle. Puolisolun X elektrodipotentiaali (EX) määritetään potentiaaliksi, joka mitataan solulle, joka koostuu katodina toimivasta X: stä ja anodina toimivasta SHE: stä:
Kun puolisolu X on vakio-olosuhteissa, sen potentiaali on standardi elektrodipotentiaali, E ° X. Koska solupotentiaalin määrittely edellyttää, että puolisolut toimivat katodeina, näitä potentiaaleja kutsutaan joskus standardipelkistyspotentiaaleiksi.
Tätä lähestymistapaa elektrodipotentiaalien mittaamiseen havainnollistetaan kuvassa 2, joka kuvaa solua, joka koostuu SHE on kytketty kupari (II) / kupari (0) -puolikennoon vakio-olosuhteissa. Ulkoisen piirin volttimittari mahdollistaa kahden puolisolun välisen potentiaalieron mittaamisen. Koska Cu-puolisolu on nimetty katodiksi kennopotentiaalin määritelmässä, se on kytketty volttimittarin punaiseen (positiiviseen) tuloon, kun taas nimetty SHE-anodi on kytketty mustaan (negatiiviseen) tuloon. Nämä yhteydet varmistavat, että mitatun potentiaalin merkki on yhdenmukainen sähkökemian merkkikäytäntöjen kanssa edellä käsiteltyjen eri määritelmien mukaisesti. Solupotentiaali mitataan +0,337 V, joten
Taulukot E ° -arvoista muille puolisoluille samalla tavalla mitattuna ovat saatavilla viitekirjallisuutena solupotentiaalien ja ennusteen laskemiseksi. redox-prosessien spontaanuudesta.
Kuva 2. Kenno, joka mahdollistaa standardielektrodin kokeellisen mittaamisen puolireaktion potentiaali Cu2 + (aq) + 2e − ⟶Cu (s)
Taulukossa 1 on luettelo standardielektrodipotentiaaleista puolireaktioiden valintaa varten numerojärjestyksessä, ja laajempi luettelo on annettu standardielektrodipotentiaalissa (puolikenno).
Intrepreting elektrodi ja kennopotentiaalit
Mieti tarkkaan kenno- ja elektrodipotentiaalien määritelmiä ja spontaanien havaintojen toistaiseksi esitetty redox-muutos on merkittävä yhteys. Edellisessä osassa kuvattiin kuparin spontaani hapettuminen vesipitoisilla hopea (I) -ioneilla, mutta ei havaittu reaktiota vesipitoisten lyijy (II) -ionien kanssa. Esimerkin 1 laskelmien tulokset ovat juuri osoittaneet, että spontaani prosessi on kuvattu positiivisella solupotentiaalilla, kun taas ei-spontaanilla prosessilla on negatiivinen solupotentiaali. Ja suhteellisen tehokkuuden (”vahvuus”) suhteen, jolla vesipitoiset Ag + – ja Pb2 + -ionit hapettavat Cu: ta vakio-olosuhteissa, vahvempi hapetin on se, jolla on suurempi standardielektrodipotentiaali, E °. pelkistysprosesseissa E °: n korotettu arvo vastaa lisääntynyttä liikkeellelaskutoiminnan voimaa (siten sen toiminnan tehokkuus hapettimena joillekin muille lajeille). Elektrodipotentiaalien negatiiviset arvot ovat yksinkertaisesti seurausta 0 V: n arvo SHE: lle, mikä osoittaa, että puolireaktion reaktantti on heikompi hapetin kuin vesipitoiset vetyionit.
Tämän logiikan soveltaminen taulukon 1 standardielektrodipotentiaalien numeerisesti järjestettyyn luetteloon näyttää tämän luettelon vastaavasti puolireaktion reaktanttilajien hapetuslujuuden mukaan laskien voimakkaimmasta hapettimesta (positiivisimmaksi E °) heikoimmaksi hapettimeksi (eniten negatiiviseksi E °). redoksireaktioiden spontaanisuutta koskevat ohjeet vakio-olosuhteissa voidaan sitten helposti tehdä yksinkertaisesti vertaamalla niiden taulukon merkintöjen suhteellisia sijainteja. Määritelmän mukaan E ° -solu on positiivinen, kun E ° -katodi > E ° -anodi, joten minkä tahansa redoksireaktion, jossa hapettimen pääsy on pelkistimen pääsyn yläpuolelle, ennustetaan olevan spontaani. / p>
Kahden redoksireaktion uudelleenarviointi esimerkissä 1 tukee tätä tosiasiaa. Hopean (I) / hopean (0) puolireaktion merkintä on korkeampi kuin kupari (II) / kupari (0) -puolireaktion kohdalla, joten C +: n hapettumisen Ag +: n ennustetaan olevan spontaania (E ° katodi > E ° -anodi ja niin E-solu > 0). Päinvastoin lyijyn (II) / lyijyn (0) puolisolun merkintä on kuparin (II) / kuparin (0) alapuolella, ja Cu: n hapettuminen Pb2 +: lla ei ole spontaania (E ° -katodi < E ° -anodi ja niin E °-solu < 0).
Palautetaan mieleen termodynamiikkaa käsittelevä luku, eteen- ja taaksepäin suuntautuvat spontaanit palautuvan prosessin reaktiot osoittavat vastavuoroisen suhteen: jos prosessi on spontaani yhteen suuntaan, se on ei-spontaani vastakkaiseen suuntaan. Redox-reaktioiden spontaanisuuden indikaattorina solureaktion potentiaali osoittaa seuraussuhteen sen aritmeettisessa merkissä. Kuparin spontaania hapettumista lyijy (II) -ionien avulla ei havaita,
joten käänteisen reaktion, lyijyn hapettumisen kupari (II) -ionien, ennustetaan tapahtuvan spontaanisti:
Huomaa, että redox-reaktion suunnan kääntäminen vaihtaa tehokkaasti katodin ja anodin puolireaktioiden identiteetit, ja siten solupotentiaali lasketaan elektrodipotentiaalista päinvastaisessa vähennysjärjestyksessä kuin eteenpäin tapahtuvan reaktion. Käytännössä volttimittari raportoi -0,47 V: n potentiaalin punaisilla ja mustilla tuloillaan kytkettynä Pb- ja Cu-elektrodeihin. Jos syötteet vaihdettaisiin, ilmoitettu jännite olisi +0,47 V.
Voit tarkastella ”Solupotentiaaliset ongelmat – sähkökemia” -tunnistetta (avautuu uudessa ikkunassa).
Keskeiset käsitteet ja yhteenveto
Potentiaalin ominaisuus E on varauksen erottamiseen / siirtämiseen liittyvä energia. Sähkökemiassa solujen ja puolipolymeerien potentiaalit solut ovat termodynaamisia määriä, jotka heijastavat niiden redox-prosessien liikkeellepanevaa voimaa tai spontaanisuutta.Sähkökemiallisen kennon solupotentiaali on ero sen katodin ja anodin välillä.Puolisolupotentiaalidatan helpon jakamisen mahdollistamiseksi tavalliselle vetyelektrodille (SHE) annetaan täsmälleen 0 V: n potentiaali ja sitä käytetään määrittämään yksittäinen elektrodipotentiaali mille tahansa puolisolulle. Puolisolun elektrodipotentiaali, EX, on mainitun puolisolun solupotentiaali, joka toimii katodina, kun se on kytketty SHE: ksi, joka toimii anodina. Kun puolikenno toimii vakio-olosuhteissa, sen potentiaali on standardi elektrodipotentiaali E ° X. Tavalliset elektrodipotentiaalit heijastavat puolireaktion reaktantin suhteellista hapetuslujuutta, vahvemmilla hapettimilla on suuremmat (positiivisemmat) E ° X -arvot. Standardielektrodipotentiaalien taulukoita voidaan käyttää standardikennopotentiaalien, E ° -kennon, laskemiseen monille redox-reaktioille. Solupotentiaalin aritmeettinen merkki osoittaa solureaktion spontaanisuuden, positiivisten spontaanireaktioiden ja negatiivisten spontaanireaktioiden (spontaanit päinvastaisessa suunnassa) arvot.
Tärkeimmät yhtälöt
- {E} _ {\ text {cell}} ^ {\ circ} = {E} _ {\ text {katodi}} ^ {\ circ} – {E} _ {\ text {anodi}} ^ {\ circ}
sanasto
vakiosolupotentiaali \ vasen ({E} _ {\ text {cell}} ^ {\ circ} \ oikea): solupotentiaali, kun kaikki reagoivat aineet ja tuotteet ovat vakiotilassa (1 bar tai 1 atm tai kaasut; 1 M liuenneille aineille), yleensä 298,15 K: ssa; voidaan laskea vähentämällä anodin puolireaktion vakiopelkistyspotentiaali katodissa tapahtuvan puolireaktion vakiopelkistyspotentiaalista.
vakio vetyelektrodi (SHE): elektrodi koostuu vedystä suolahapon läpi kuplivaa kaasua inertin platinaelektrodin läpi, jonka pelkistykselle vakio-olosuhteissa on annettu arvo 0 V; standardipelkistyspotentiaalien vertailupiste
vakiopelkistyspotentiaali (E °): pelkistyksen arvo vakio-olosuhteissa (1 bar tai 1 atm kaasuille; 1 M liuenneille aineille) yleensä 298,15 K: ssa; taulukoituja arvoja, joita käytetään tavallisten solupotentiaalien laskemiseen
