Tanulási eredmények
- Írja le és kapcsolja össze az elektróda és a sejtpotenciál definícióit
- Az elektróda értelmezése potenciálok a relatív oxidáns és reduktáns erősség tekintetében
- Számítsa ki a sejtpotenciálokat és jósolja meg a redox spontaneitását standard elektródpotenciálok felhasználásával
Ellentétben a réz vizes vizes spontán oxidációjával A 17.2. szakaszban leírt ezüst (I) ionok, ha egy rézdrótot ólom (II) ionok vizes oldatába merítenek, nem eredményeznek reakciót. A két faj, az Ag + (aq) és a Pb2 + (aq), tehát egyértelmű különbséget mutat redox aktivitásában a réz felé: az ezüstion spontán oxidálta a rézet, az ólomion azonban nem. Az elektrokémiai sejtek lehetővé teszik ezt a relatív redox aktivitás számszerűsítését egy könnyen mérhető tulajdonsággal, potenciállal. Ezt a tulajdonságot szokás feszültségnek nevezni, ha az elektromos alkalmazásokra hivatkozunk, és ez a töltés átadását kísérő energia mértéke. A potenciálokat a volt mértékegységben mérjük, amelyet egy töltési coulombonként egy joule energiának határozunk meg, V = J / C.
Elektrokémiai célokra mérve a potenciál egy adott típus hajtóerejét tükrözi. töltésátadási folyamat, nevezetesen az elektronok átadása a redox-reagensek között. Figyelembe véve a potenciál természetét ebben az összefüggésben, egyértelmű, hogy egyetlen félcellás vagy egyetlen elektród potenciálja nem mérhető; Az elektronok “transzferjéhez” donor és befogadó egyaránt szükséges, ebben az esetben reduktáns és oxidálószer. Ehelyett a félsejtes potenciál csak egy másik félsejthez viszonyítva értékelhető. Ez csak a potenciál különbsége két mérhető félsejt között, és ezeket a mért potenciálokat sejtpotenciáloknak nevezzük, Ecell, a következőképpen definiálva:
ahol az Ecathode és az Eanode két különböző fél potenciálja A többi termodinamikai mennyiséget illetően a standard sejtpotenciál, az E ° cella, az a sejtpotenciál, amelyet akkor mérünk, amikor mindkét félsejt normál állapotban van (1 M koncentráció, 1 bar nyomás, 298 K):
A gyűjtés egyszerűsítése érdekében A félreakciók potenciális adatainak megosztása és megosztása érdekében a tudományos közösség kijelölt egy adott félsejtet, amely univerzális referenciaként szolgál a sejtpotenciál-mérésekhez, pontosan 0 V-os potenciált rendelve hozzá. Ez a félcella a standard hidrogénelektróda (SHE) és ez az alábbi félreakción alapul:
Egy tipikus SHE egy inert platinaelektródot tartalmaz, pontosan 1 M vizes H + -ba merítve, és 1 bar nyomáson buborékolt H2-gáz áramot a hőmérséklet 298 K (lásd az 1. ábrát).
1. ábra: Standard hidrogénelektróda ( SHE).
A SHE hozzárendelt potenciálja lehetővé teszi a kényelmesen mért potenciál definiálását egyetlen félcellára. Az X félsejt elektródpotenciálját (EX) úgy definiáljuk, mint egy olyan cellához mért potenciált, amely X-et katódként és SHE-ként működtet:
Amikor az X félcella normál állapotban van, potenciál a standard elektródpotenciál, E ° X. Mivel a sejtpotenciál meghatározása megköveteli, hogy a félsejtek katódként működjenek, ezeket a potenciálokat néha szabványos redukciós potenciáloknak nevezik.
Az elektródpotenciálok mérésének ezt a megközelítését a 2. ábra szemlélteti, amely egy cellát ábrázol. SHE egy réz (II) / réz (0) félcellához csatlakozik normál állapotban. A külső áramkörben található voltmérő lehetővé teszi a két félcella közötti potenciálkülönbség mérését. Mivel a Cu félcellát katódként jelöljük meg a cella potenciáljának meghatározásában, ez a voltmérő piros (pozitív) bemenetéhez, míg a kijelölt SHE anód a fekete (negatív) bemenethez csatlakozik. Ezek a kapcsolatok biztosítják, hogy a mért potenciál előjele összhangban lesz az elektrokémia előjellel, a fentiekben ismertetett különböző definíciók szerint. +0,337 V cellapotenciált mértek, ezért
Hasonló módon mért más félsejtek E ° értékeinek táblázatai referencia-irodalomként rendelkezésre állnak, hogy lehetővé tegyék a sejtpotenciálok kiszámítását és az előrejelzést a redox folyamatok spontaneitásának vizsgálata.
2. ábra: A standard elektróda kísérleti mérését lehetővé tevő cella a félreakció potenciálja Cu2 + (aq) + 2e − ⟶Cu (s)
Az 1. táblázat felsorolja a standard elektródpotenciálokat a félreakciók számsorrendben történő kiválasztásához, és bővebb felsorolás található a standard elektróda (félcellás) potenciálokban.
Intrepretáló elektróda és cellapotenciálok
Gondosan átgondolva a cella- és elektródpotenciálok meghatározását és a spontán spontán megfigyeléseket Az eddig bemutatott redox változás jelentős összefüggést mutat. Az előző szakasz leírta a réz spontán oxidációját vizes ezüst (I) ionokkal, de nem figyeltek meg reakciót vizes ólom (II) ionokkal. Az 1. példa számításainak eredményei csak azt mutatták, hogy a spontán folyamatot pozitív sejtpotenciál írja le, míg a nempontontikus folyamat negatív sejtpotenciált mutat. Tehát azt a relatív hatékonyságot (“szilárdságot” tekintve), amellyel a vizes Ag + és Pb2 + ionok oxidálják a Cu-t szokásos körülmények között, az erősebb oxidálószer az, amely nagyobb standard elektródpotenciált, E ° -ot mutat. redukciós folyamatok esetén az E ° megnövekedett értéke a faj redukciójának megnövekedett mozgatórugójának felel meg (ezért oxidációs ágensként kifejtett hatásának fokozott hatékonysága néhány más fajnál). Az elektródpotenciál negatív értékei egyszerűen a 0 V érték az SHE-re, jelezve, hogy a félreakció reagense gyengébb oxidálószer, mint a vizes hidrogénionok.
Ezt a logikát alkalmazva a standard elektródpotenciálok numerikusan rendezett felsorolására az 1. táblázat mutatja ezt a felsorolást hasonlóan a félreakció reagens fajtáinak oxidációs szilárdsága szerint, a legerősebb oxidálószerről (a legpozitívabb E °) a leggyengébb oxidálószerre (a legtöbb negatív E °) csökken. Ezután a redoxi reakciók spontán állapotára vonatkozó normatív állapotú előírások könnyen megadhatók, egyszerűen összehasonlítva a táblázatban szereplő bejegyzések relatív helyzetét. Meghatározás szerint az E ° sejt pozitív, ha az E ° katód > E ° anód, és így minden redoxi reakciót, amelyben az oxidálószer bejutása a reduktáns bejutása fölé esik, spontánnak tekintik. / p>
Az 1. példában szereplő két redoxreakció felülvizsgálata alátámasztja ezt a tényt. Az ezüst (I) / ezüst (0) félreakció bejegyzése meghaladja a réz (II) / réz (0) félreakcióét, és így az előrejelzések szerint a Cu Ag + általi oxidációja spontán (E ° katód > E ° anód és így E ° cella > 0). Ezzel ellentétben az ólom (II) / ólom (0) félcellára vonatkozó bejegyzés a réz (II) / réz (0) bejegyzése alatt van, és a Cu Pb2 + általi oxidációja nem ponton (E ° katód < E ° anód és így E ° cella < 0).
Felidézve a termodinamikáról szóló fejezetet, az előre és a hátramenet spontaneitását a reverzibilis folyamat reakciói kölcsönös kapcsolatot mutatnak: ha egy folyamat egy irányban spontán, akkor az ellentétes irányú nem spontán. A redoxireakciók spontaneitásának mutatójaként a sejtreakció potenciális összefüggést mutat aritmetikai jeleiben. Az ólom (II) ionok általi spontán oxidációja nem figyelhető meg,
és így a reverz reakció, vagyis a réz (II) ionok általi oxidáció spontán módon várható:
Ne feledje, hogy a redox-reakció irányának megfordítása hatékonyan felcseréli a katód és az anód félreakcióinak azonosságát, így a sejtpotenciál az elektródpotenciálokból fordított kivonási sorrendben kerül kiszámításra, mint az előremutató reakcióé. A gyakorlatban a voltmérő −0,47 V potenciált jelentene, piros és fekete bemenetével a Pb, illetve a Cu elektródához csatlakozva. Ha a bemeneteket felcserélnék, a jelentett feszültség +0,47 V lenne.
A “Sejtpotenciális problémák – elektrokémia” átiratát itt tekintheti meg (új ablakban nyílik meg).
Fogalmak és összefoglalás
Az E potenciál tulajdonsága a töltés szétválasztásával / átadásával kapcsolatos energia. Az elektrokémiában a sejtek és a a sejtek olyan termodinamikai mennyiségek, amelyek visszatükrözik redox folyamataik hajtóerejét vagy spontaneitását. Az elektrokémiai cellák sejtpotenciálja a katód és az anód közötti különbség.A félcellás potenciáladatok egyszerű megosztásának lehetővé tétele érdekében a standard hidrogénelektródához (SHE) pontosan 0 V-os potenciált rendelünk, és ezt használjuk egyetlen elektródpotenciál meghatározásához bármely adott félcellához. A félcellás elektródpotenciál, az EX, az említett félsejt sejtpotenciálja, amely katódként működik, amikor egy anódként működő SHE-hez csatlakozik. Amikor a félcella normál állapotban működik, annak potenciálja a standard elektródpotenciál, E ° X. A standard elektródpotenciálok a félreakció reagensének relatív oxidáló erejét tükrözik, az erősebb oxidálószerek nagyobb (pozitívabb) E ° X értékeket mutatnak. A standard elektródpotenciálok táblázatai felhasználhatók a standard cellapotenciálok (E ° cellák) kiszámítására számos redoxreakció esetén. A sejtpotenciál számtani jele a sejtreakció spontaneitását jelzi, pozitív értékekkel a spontán reakciókra és negatív értékekkel a nempontpontos reakciókra (spontán a fordított irányban).
Kulcsegyenletek
- {E} _ {\ text {cell}} ^ {\ circ} = {E} _ {\ text {cathode}} ^ {\ circ} – {E} _ {\ text {anode}} ^ {\ circ}
Szószedet
normál cellapotenciál \ bal ({E} _ {\ text {cell}} ^ {\ circ} \ jobbra): a sejtpotenciál, amikor az összes reagens és termék normál állapotban van (1 bar vagy 1 atm vagy gáz; 1 M oldott anyag esetén), általában 298,15 K hőmérsékleten; kiszámítható úgy, hogy az anódnál bekövetkező félreakció standard redukciós potenciálját levonjuk a katódnál bekövetkező félreakció standard redukciós potenciáljából.
standard hidrogénelektróda (SHE): az elektróda hidrogénből áll sósavon át fortyogó gáz egy inert platinaelektródon, amelynek redukciója standard körülmények között 0 V értéket kap; a standard redukciós potenciálok referenciapontja
standard redukciós potenciál (E °): a redukció értéke standard körülmények között (1 bar vagy 1 atm gázoknál, 1 M oldott anyagoknál), általában 298,15 K hőmérsékleten; táblázatos értékek, amelyeket a standard cellapotenciálok kiszámításához használnak
