학습 결과
- 전극 및 세포 전위의 정의 설명 및 관련
- 전극 해석 상대적인 산화제 및 환원제 강도 측면에서 전위
- 표준 전극 전위를 사용하여 셀 전위를 계산하고 산화 환원 자발성을 예측
수성에 의한 구리의 자발적 산화와는 달리 섹션 17.2에 설명 된은 (I) 이온, 납 (II) 이온 수용액에 구리선을 담그면 반응이 없습니다. 두 종, Ag + (aq)와 Pb2 + (aq)는 구리에 대한 산화 환원 활성에서 뚜렷한 차이를 보여줍니다.은 이온은 자발적으로 구리를 산화 시켰지만 납 이온은 그렇지 않았습니다. 전기 화학 전지를 사용하면이 상대적 산화 환원 활성을 쉽게 측정 할 수있는 특성, 전위로 정량화 할 수 있습니다. 이 속성은 전기 애플리케이션과 관련하여 참조 할 때 일반적으로 전압이라고 불리며 전하 전달에 수반되는 에너지 측정 값입니다. 전위는 전하 1 쿨롱 당 1 줄의 에너지로 정의되는 볼트 단위로 측정됩니다 (V = J / C).
전기 화학 목적으로 측정 할 때 전위는 특정 유형의 추진력을 반영합니다. 전하 이동 과정, 즉 산화 환원 반응물 사이의 전자 이동. 이러한 맥락에서 전위의 특성을 고려하면 단일 반쪽 전지 또는 단일 전극의 전위를 측정 할 수 없음이 분명합니다. 전자의 “전달”은 공여자와받는 사람,이 경우 각각 환원제와 산화제를 모두 필요로합니다. 대신 반쪽 전지 전위는 다른 반쪽 전지의 전위와 비교해서 만 평가할 수 있습니다. 이는 전위차 일뿐입니다. 측정 할 수있는 두 개의 반쪽 셀 사이에서 이러한 측정 된 전위를 세포 전위, Ecell이라고하며 다음과 같이 정의됩니다.
여기서 Ecathode와 Eanode는 서로 다른 두 절반의 잠재력입니다. -아래 첨자에 명시된대로 기능하는 세포. 다른 열역학적 양의 경우 표준 세포 전위 인 E ° cell은 두 반쪽 세포가 모두 표준 상태 조건 (1M 농도, 1bar 압력, 298) 일 때 측정 된 세포 전위입니다. K) :
집합을 단순화하려면 반쪽 반응에 대한 잠재적 데이터를 공유하고 과학계는 하나의 특정 반쪽 전지를 전지 전위 측정에 대한 보편적 인 기준으로 지정하여 정확히 0V의 전위를 할당했습니다.이 반쪽 전지는 표준 수소 전극입니다. (SHE) 아래 반 반응을 기반으로합니다.
일반적인 SHE에는 정확히 1M 수성 H +에 담근 불활성 백금 전극과 1bar 압력에서 버블 링 H2 가스 흐름이 모두 포함되어 있습니다. 298K의 온도 (그림 1 참조).
그림 1. 표준 수소 전극 ( SHE).
SHE의 할당 된 전위는 단일 반쪽 셀에 대해 편리하게 측정 된 전위의 정의를 허용합니다. 반쪽 전지 X의 전극 전위 (EX)는 음극 역할을하는 X와 양극 역할을하는 SHE로 구성된 전지에 대해 측정 된 전위로 정의됩니다.
반쪽 셀 X가 표준 상태 조건에있을 때 전위는 표준 전극 전위 E ° X입니다. 전지 전위를 정의하려면 반쪽 전지가 음극으로 기능해야하므로 이러한 전위를 표준 환원 전위라고도합니다.
전극 전위 측정에 대한 이러한 접근 방식은 그림 2에 설명되어 있습니다. SHE는 표준 상태 조건에서 구리 (II) / 구리 (0) 반쪽 전지에 연결되었습니다. 외부 회로의 전압계를 사용하면 두 반쪽 셀 간의 전위차를 측정 할 수 있습니다. Cu 반쪽 전지는 전지 전위 정의에서 음극으로 지정되기 때문에 전압계의 빨간색 (양수) 입력에 연결되고 지정된 SHE 양극은 검은 색 (음수) 입력에 연결됩니다. 이러한 연결은 측정 된 전위의 부호가 위에서 논의한 다양한 정의에 따라 전기 화학의 부호 규칙과 일치 함을 보장합니다. + 0.337V의 셀 전위가 측정되므로
유사한 방식으로 측정 된 다른 반쪽 세포에 대한 E ° 값의 표는 세포 전위 계산 및 예측을 허용하는 참조 문헌으로 제공됩니다. 산화 환원 과정의 자발성.
그림 2. 표준 전극의 실험 측정을 허용하는 셀 반 반응에 대한 잠재 성 Cu2 + (aq) + 2e−⟶Cu (s)
표 1은 반 반응 선택에 대한 표준 전극 전위 목록을 숫자 순서로 제공합니다. 보다 광범위한 목록은 Standard Electrode (Half-Cell) Potentials에 나와 있습니다.
전극 및 셀 전위 이해하기
셀 및 전극 전위의 정의와 자발적 관찰에 대해 신중하게 생각하기 지금까지 제시된 산화 환원 변화는 중요한 관계가 주목된다. 이전 섹션에서는 수성은 (I) 이온에 의한 구리의 자발적 산화에 대해 설명했지만 수성 납 (II) 이온과의 반응은 관찰되지 않았습니다. 실시 예 1의 계산 결과는 자발적인 과정이 양성 세포 전위에 의해 설명되는 반면 비자발적 과정은 음성 세포 전위를 나타냄을 보여줍니다. 따라서 수성 Ag + 및 Pb2 + 이온이 표준 조건에서 Cu를 산화시키는 상대적인 효과 ( “강도”)와 관련하여 더 강한 산화제는 더 큰 표준 전극 전위 E °를 나타내는 것입니다. 감소 과정에서 E °의 증가 된 값은 종의 감소 뒤에있는 증가 된 추진력에 해당합니다 (따라서 다른 종에 대한 산화제로서의 작용 효과 증가). 전극 전위에 대한 음수 값은 단순히 a를 할당 한 결과입니다. SHE에 대한 0V 값은 반 반응의 반응물이 수성 수소 이온보다 약한 산화제임을 나타냅니다.
이 논리를 표 1의 표준 전극 전위의 숫자 순서 목록에 적용하면이 목록이 표시됩니다. 반 반응 반응 종의 산화 강도 순으로, 가장 강한 산화제 (가장 양의 E °)에서 가장 약한 산화제 (가장 음의 E °)로 감소합니다. 표준 상태 조건 하에서 산화 환원 반응의 자발성에 관한 명령은 테이블 항목의 상대적 위치를 간단히 비교하여 쉽게 만들 수 있습니다. 정의에 따라 E ° cell은 E ° cathode > E ° anode 일 때 양성이므로 산화제의 입구가 환원제의 입구 위에있는 모든 산화 환원 반응은 자발적인 것으로 예측됩니다.
실시 예 1에서 두 개의 산화 환원 반응에 대한 재검토는이 사실을 뒷받침합니다. 은 (I) /은 (0) 반 반응에 대한 항목은 구리 (II) / 구리 (0) 반 반응에 대한 항목보다 높으므로 Ag +에 의한 Cu의 산화는 자발적 (E ° 음극 > E ° anode 및 E ° cell > 0). 반대로 납 (II) / 납 (0) 반쪽 전지의 항목은 구리 (II) / 구리 (0)의 항목 아래에 있으며, Pb2 +에 의한 Cu의 산화는 자발적이지 않습니다 (E ° cathode < E ° anode 및 E ° cell < 0).
열역학에 관한 장을 회상하며, 순방향 및 역방향의 자발성 가역적 프로세스의 반응은 상호 관계를 보여줍니다. 프로세스가 한 방향에서 자발적인 경우 반대 방향에서는 자발적이지 않습니다. 산화 환원 반응의 자발성의 지표로서 세포 반응의 잠재력은 산술 기호에서 결과적인 관계를 보여줍니다. 납 (II) 이온에 의한 구리의 자발적인 산화는 관찰되지 않으므로
따라서 구리 (II) 이온에 의한 납의 산화 인 역반응은 자발적으로 발생할 것으로 예상됩니다.
산화 환원 반응의 방향을 반대로하면 음극과 양극 반쪽 반응의 정체가 효과적으로 상호 교환되므로 전지 전위는 순방향 반응보다 역방향 빼기 순서로 전극 전위에서 계산됩니다. 실제로 전압계는 적색 및 흑색 입력이 각각 Pb 및 Cu 전극에 연결된 상태에서 -0.47V의 전위를보고합니다. 입력이 바뀐 경우보고 된 전압은 + 0.47V가됩니다.
여기에서 “세포 잠재적 문제 – 전기 화학”에 대한 대본을 볼 수 있습니다 (새 창에서 열림).
주요 개념 및 요약
전하의 분리 / 이동과 관련된 에너지 인 전위 E는 전지의 전위와 반 전지는 산화 환원 과정의 추진력 또는 자발성을 반영하는 열역학적 양이며 전기 화학 전지의 전지 전위는 음극과 양극의 차이입니다.반쪽 전지 전위 데이터를 쉽게 공유 할 수 있도록 표준 수소 전극 (SHE)에 정확히 0V의 전위가 할당되고 주어진 반쪽 전지에 대한 단일 전극 전위를 정의하는 데 사용됩니다. 반쪽 전지 EX의 전극 전위는 양극으로 작용하는 SHE에 연결되었을 때 음극으로 작용하는 상기 반쪽 전지의 전지 전위입니다. 반쪽 전지가 표준 상태 조건에서 작동 할 때 그 전위는 표준 전극 전위 E ° X입니다. 표준 전극 전위는 반 반응 반응물의 상대적 산화 강도를 반영하며 더 강한 산화제는 더 큰 (더 긍정적 인) E ° X 값을 나타냅니다. 표준 전극 전위의 표는 많은 산화 환원 반응에 대한 표준 셀 전위, E ° 셀을 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 세포 전위의 산술 기호는 세포 반응의 자발성을 나타내며, 자발적 반응에는 양수 값, 비자 발 반응에는 음수 값 (반대 방향으로 자발적)을 나타냅니다.
주요 방정식
- {E} _ {\ text {cell}} ^ {\ circ} = {E} _ {\ text {음극}} ^ {\ circ}-{E} _ {\ text {anode}} ^ {\ circ}
용어집
표준 셀 전위 \ left ({E} _ {\ text {cell}} ^ {\ circ} \ 오른쪽) : 모든 반응물과 생성물이 표준 상태 (1 bar 또는 1 atm 또는 가스, 용질의 경우 1 M), 일반적으로 298.15 K 일 때 세포 전위; 음극에서 발생하는 반쪽 반응에 대한 표준 환원 전위에서 양극에서 반쪽 반응에 대한 표준 환원 전위를 빼서 계산할 수 있습니다.
표준 수소 전극 (SHE) : 전극은 수소로 구성됩니다. 표준 조건에서의 환원 값이 0V 인 불활성 백금 전극 위의 염산을 통한 가스 버블 링; 표준 환원 전위에 대한 기준점
표준 환원 전위 (E °) : 일반적으로 298.15 K에서 표준 조건 (가스의 경우 1 bar 또는 1 atm, 용질의 경우 1 M)에서 감소 값. 표준 세포 전위를 계산하는 데 사용되는 표로 작성된 값
