学習成果
- 電極と細胞電位の定義を説明して関連付ける
- 電極を解釈する相対的な酸化剤と還元剤の強度に関する電位
- 標準電極電位を使用して細胞電位を計算し、酸化還元電位を予測します
水による銅の自然酸化とは異なり、セクション17.2で説明した銀（I）イオンは、銅線を鉛（II）イオンの水溶液に浸しても反応しません。したがって、Ag +（aq）とPb2 +（aq）の2つの種は、銅に対する酸化還元活性に明確な違いを示します。銀イオンは銅を自発的に酸化しましたが、鉛イオンはそうではありませんでした。電気化学セルを使用すると、この相対的な酸化還元活性を、簡単に測定できる特性である電位によって定量化できます。この特性は、電気的用途に関して参照される場合、より一般的に電圧と呼ばれ、電荷の移動に伴うエネルギーの尺度です。電位はボルト単位で測定され、1クーロンの電荷あたり1ジュールのエネルギーとして定義されます。V= J / C。
電気化学の目的で測定される場合、電位は特定のタイプの駆動力を反映します。電荷移動プロセス、すなわち、レドックス反応物間の電子の移動。この文脈での電位の性質を考慮すると、単一の半電池または単一の電極の電位を測定できないことは明らかです。電子の「移動」には、ドナーとレシピエントの両方、この場合はそれぞれ還元剤と酸化剤が必要です。代わりに、半電池の電位は、別の半電池の電位と比較してのみ評価できます。これは、電位の差のみです。測定される可能性のある2つの半電池の間で、これらの測定された電位はセル電位、Ecellと呼ばれ、
ここで、EcathodeとEanodeは2つの異なる半分のポテンシャルです。 -添え字で指定されているように機能するセル。他の熱力学的量に関しては、標準セル電位E°cellは、両方の半電池が標準状態の条件下（1 M濃度、1 bar圧力、298）で測定されたセル電位です。 K）：
コレクティを簡素化するため半反応の電位データを共有するために、科学界は、セル電位測定のユニバーサルリファレンスとして機能する特定のハーフセルを指定し、正確に0Vの電位を割り当てました。このハーフセルは標準の水素電極です。 （SHE）そしてそれは以下の半反応に基づいています：
一般的なSHEには、正確に1MのH +水溶液に浸した不活性プラチナ電極と、1バールの圧力で泡立つH2ガスの流れが含まれています。 298 Kの温度（図1を参照）。
図1.標準の水素電極（ SHE）。
SHEに割り当てられた電位により、単一の半電池に対して便利に測定された電位を定義できます。半電池Xの電極電位（EX）は、Xがカソードとして機能し、SHEがアノードとして機能するセルで測定された電位として定義されます。
ハーフセルXが標準状態の場合、電位は標準電極電位E°Xです。セル電位の定義には、半電池がカソードとして機能する必要があるため、これらの電位は標準還元電位と呼ばれることもあります。
電極電位を測定するこのアプローチを図2に示します。これは、 SHEは、標準状態の条件下で銅（II）/銅（0）半電池に接続されています。外部回路の電圧計により、2つの半電池間の電位差を測定できます。 Cu半電池はセル電位の定義でカソードとして指定されているため、電圧計の赤（正）入力に接続され、指定されたSHEアノードは黒（負）入力に接続されます。これらの接続により、測定された電位の符号が、上記のさまざまな定義に従った電気化学の符号規則と一致することが保証されます。 +0.337 Vのセル電位が測定されるため、
同様の方法で測定された他の半電池のE°値の表は、セル電位の計算と予測を可能にする参考文献として利用できます。酸化還元プロセスの自発性の分析。
図2.標準電極の実験的測定を可能にするセル半反応の電位Cu2 +（aq）+ 2e−⟶Cu（s）
表1に、半反応を番号順に選択するための標準電極電位のリストを示します。より広範なリストは、標準電極（半電池）電位に記載されています。
電極とセル電位の解釈
セルと電極電位の定義、および自発的観測について慎重に検討します。これまでに提示された酸化還元変化には、重要な関係が見られます。前のセクションでは、銀（I）水溶液による銅の自発的酸化について説明しましたが、鉛（II）水溶液との反応は観察されませんでした。実施例１の計算の結果は、自発的プロセスが正の細胞電位によって記述され、非自発的プロセスが負の細胞電位を示すことを示した。したがって、水性Ag +およびPb2 +イオンが標準条件下でCuを酸化する相対的な有効性（「強度」）に関して、より強い酸化剤は、より大きな標準電極電位E°を示すものです。慣例により、電極電位は還元プロセスでは、E°の値の増加は、種の還元の背後にある駆動力の増加に対応します（したがって、他のいくつかの種に対する酸化剤としての作用の有効性が増加します）。電極電位の負の値は、単に割り当てた結果です。 SHEに対する0Vの値は、半反応の反応物が水性水素イオンよりも弱い酸化剤であることを示します。
このロジックを表1の標準電極電位の数値順にリストに適用すると、このリストが表示されます。同様に、半反応の反応種の酸化強度の順に、最も強い酸化剤（最も正のE°）から最も弱い酸化剤（最も負のE°）に減少します。標準状態の条件下でのレドックス反応の自発性に関するエディクションは、テーブルエントリの相対位置を比較するだけで簡単に作成できます。定義上、E°カソード> E°アノードの場合、E°cellは正であるため、酸化剤の入口が還元剤の入口より上にあるレドックス反応は自然発生的であると予測されます。
例1の2つのレドックス反応を再検討すると、この事実が裏付けられます。銀（I）/銀（0）の半反応のエントリは、銅（II）/銅（0）の半反応のエントリよりも大きいため、Ag +によるCuの酸化は自発的であると予測されます（E°カソード> E°アノード、したがってE°cell > 0）。逆に、鉛（II）/鉛（0）半電池のエントリは、銅（II）/銅（0）のエントリより下にあり、Pb2 +によるCuの酸化は自発的ではありません（E°cathode < E°アノードなどE°cell < 0）
熱力学の章を思い出して、順方向と逆方向の自発性可逆プロセスの反応は相互関係を示します。プロセスが一方向で自発的である場合、反対方向では非自発的です。酸化還元反応の自発性の指標として、細胞反応の可能性は、その算術記号に結果的な関係を示します。鉛（II）イオンによる銅の自発的酸化は観察されないため、
逆反応、銅（II）イオンによる鉛の酸化は自発的に発生すると予測されます。
レドックス反応の方向を逆にすると、カソードとアノードの半反応の同一性が効果的に交換されるため、セル電位は、順方向反応の場合よりも逆減算順に電極電位から計算されることに注意してください。実際には、電圧計は、赤と黒の入力がそれぞれPb電極とCu電極に接続された状態で、-0.47Vの電位を報告します。入力が交換された場合、報告される電圧は+ 0.47Vになります。
「セル電位問題–電気化学」のトランスクリプトをここで表示できます（新しいウィンドウで開きます）。
重要な概念と要約
電位の特性Eは、電荷の分離/移動に関連するエネルギーです。電気化学では、セルと半値の電位セルは、酸化還元プロセスの駆動力または自発性を反映する熱力学的量です。電気化学セルのセル電位は、そのカソードとアノードの差です。半電池電位データを簡単に共有できるように、標準水素電極（SHE）には正確に0 Vの電位が割り当てられ、任意の半電池の単一電極電位を定義するために使用されます。半電池の電極電位ＥＸは、アノードとして機能するＳＨＥに接続されたときにカソードとして機能する前記半電池のセル電位である。半電池が標準状態の条件下で動作している場合、その電位は標準電極電位、E°Xです。標準電極電位は、半反応の反応物の相対的な酸化強度を反映し、より強い酸化剤はより大きな（より正の）E°X値を示します。標準電極電位の表を使用して、多くの酸化還元反応の標準セル電位、E°cellを計算できます。細胞電位の算術符号は、細胞反応の自発性を示し、自発反応の場合は正の値、非自発反応の場合は負の値（逆方向に自発的）を示します。
重要な方程式
- {E} _ {\ text {cell}} ^ {\ circ} = {E} _ {\ text {cathode}} ^ {\ circ}-{E} _ {\ text {anode}} ^ {\ circ}
用語集
標準セル電位\ left（{E} _ {\ text {cell}} ^ {\ circ} \右）：すべての反応物と生成物が標準状態（1バールまたは1気圧またはガス;溶質の場合は1 M）、通常は298.15Kのときのセル電位。カソードで発生する半反応の標準還元電位からアノードでの半反応の標準還元電位を差し引くことで計算できます
標準水素電極（SHE）：電極は水素で構成されています標準条件での還元に0Vの値が割り当てられている不活性白金電極上で塩酸を介してガスバブリング。標準還元電位の基準点
標準還元電位（E°）：通常298.15 Kでの標準条件下（ガスの場合は1barまたは1atm、溶質の場合は1 M）での還元値。標準セル電位の計算に使用される表形式の値
