Standardní potenciál elektrody - Standard electrode potential
V elektrochemii je standardní potenciál elektrody ( E °) definován jako hodnota standardního emf článku, ve kterém je molekulární vodík za standardního tlaku oxidován na solvatované protony na levé elektrodě .
Základem pro elektrochemický článek , jako je galvanický článek , je vždy redoxní reakce, kterou lze rozdělit na dvě poloviční reakce : oxidaci na anodě (ztráta elektronu) a redukci na katodě (zisk elektronu). Elektřina se vyrábí v důsledku rozdílu elektrického potenciálu mezi dvěma elektrodami. Tento rozdíl potenciálu je vytvořen v důsledku rozdílu mezi jednotlivými potenciály dvou kovových elektrod vzhledem k elektrolytu . (Reverzibilní elektroda je elektroda, která za svůj potenciál vděčí změnám reverzibilní povahy , na rozdíl od elektrod používaných při galvanickém pokovování, které jsou během jejich použití zničeny.) Je to míra snížení síly jakéhokoli prvku nebo sloučeniny.
Přestože je možné měřit celkový potenciál článku, neexistuje jednoduchý způsob, jak přesně měřit potenciály elektrod/elektrolytů izolovaně. Elektrický potenciál se také mění s teplotou, koncentrací a tlakem. Protože oxidační potenciál poloviční reakce je záporný vůči redukčnímu potenciálu v redoxní reakci, stačí vypočítat jeden z potenciálů. Proto je standardní elektrodový potenciál běžně zapsán jako standardní redukční potenciál. Na každém rozhraní elektroda-elektrolyt existuje tendence kovových iontů z roztoku usazovat se na kovové elektrodě a snaží se, aby byla kladně nabitá. Současně mají kovové atomy elektrody tendenci jít do roztoku jako ionty a zanechat za sebou elektrony na elektrodě, které se snaží, aby byl záporně nabitý. V rovnováze dochází k oddělení nábojů a v závislosti na tendencích obou protichůdných reakcí může být elektroda vzhledem k roztoku kladně nebo záporně nabitá. Mezi elektrodou a elektrolytem vzniká potenciální rozdíl, kterému se říká elektrodový potenciál . Když jsou koncentrace všech druhů zapojených do půlčlánku jednotné, pak je potenciál elektrody známý jako standardní potenciál elektrody. Podle konvence IUPAC se nyní standardní redukční potenciály nazývají standardní elektrodové potenciály. V galvanickém článku se poloviční článek, ve kterém probíhá oxidace, nazývá anoda a má negativní potenciál vzhledem k řešení. Druhý poloviční článek, ve kterém probíhá redukce, se nazývá katoda a má pozitivní potenciál vzhledem k řešení. Existuje tedy potenciální rozdíl mezi oběma elektrodami a jakmile je spínač v zapnuté poloze, proudí elektrony z negativní elektrody na kladnou elektrodu. Směr toku proudu je opačný než směr toku elektronů.
Výpočet
Potenciál elektrody nelze získat empiricky. Na galvanický článek Výsledky potenciální z dvojice elektrod. V páru elektrod je tedy k dispozici pouze jedna empirická hodnota a není možné určit hodnotu pro každou elektrodu v páru pomocí empiricky získaného potenciálu galvanického článku. Bylo nutné stanovit referenční elektrodu, standardní vodíkovou elektrodu (SHE), pro kterou je potenciál definován nebo dohodnut konvencí. V tomto případě je standardní vodíková elektroda nastavena na 0,00 V a jakoukoli elektrodu, u které dosud není znám potenciál elektrody, lze spárovat se standardní vodíkovou elektrodou - za vzniku galvanického článku - a potenciál galvanického článku udává potenciál neznámé elektrody . Pomocí tohoto postupu lze libovolnou elektrodu s neznámým potenciálem spárovat buď se standardní vodíkovou elektrodou, nebo s jinou elektrodou, pro kterou již byl potenciál odvozen a lze stanovit neznámou hodnotu.
Protože potenciály elektrod jsou běžně definovány jako redukční potenciály, musí být znaménko potenciálu pro oxidovanou kovovou elektrodu obráceno při výpočtu celkového potenciálu článku. Elektrodové potenciály jsou nezávislé na počtu přenesených elektronů - jsou vyjádřeny ve voltech, které měří energii na přenesený elektron - a tak tyto dva elektrodové potenciály lze jednoduše kombinovat, aby poskytly celkový potenciál buněk, i když jsou do nich zapojeny různé počty elektronů reakce dvou elektrod.
Pro praktická měření je dotyčná elektroda připojena ke kladnému pólu elektrometru , zatímco standardní vodíková elektroda je připojena k zápornému pólu.
Tabulka standardních redukčních potenciálů
Čím větší je hodnota standardního redukčního potenciálu, tím snadněji je prvek redukován (zisk elektronů ); jinými slovy, jsou to lepší oxidační činidla . Například F 2 má standardní redukční potenciál +2,87 V a Li + má -3,05 V:
Vysoce pozitivní standardní redukční potenciál F 2 znamená, že je snadno redukován, a je proto dobrým oxidačním činidlem. Naproti tomu silně negativní standardní redukční potenciál Li + naznačuje, že není snadné jej snížit. Místo toho by Li ( y ) raději podstoupil oxidaci (proto je dobrým redukčním činidlem ). Zn 2+ má standardní redukční potenciál −0,76 V, a proto může být oxidován jakoukoli jinou elektrodou, jejíž standardní redukční potenciál je větší než −0,76 V (např. H + (0 V), Cu 2+ (0,34 V), F 2 (2,87 V)) a lze jej snížit jakoukoli elektrodou se standardním redukčním potenciálem menším než −0,76 V (např. H 2 (−2,23 V), Na + (−2,71 V), Li + (−3,05 V)).
V galvanickém článku, kde spontánní redoxní reakce pohání článek k výrobě elektrického potenciálu, musí být Gibbsova volná energie Δ G ° záporná, podle následující rovnice:
- Δ G ° buňka = - nFE ° buňka
kde n je počet molů elektronů na mol produktů a F je Faradayova konstanta , ~ 96485 C/mol. Proto platí následující pravidla:
- Pokud E ° článek > 0, pak je proces spontánní ( galvanický článek )
- Je -li E ° článek <0, pak je proces nespoutaný ( elektrolytický článek )
Aby tedy došlo ke spontánní reakci (ΔG ° <0), musí být E ° buňka kladná, kde:
- „E ° buňka = E ° katoda - E ° anoda
kde E ° anoda je standardní potenciál na anodě a E ° katoda je standardní potenciál na katodě, jak je uvedeno v tabulce standardního potenciálu elektrody.
Viz také
Reference
Další čtení
- Zumdahl, Steven S., Zumdahl, Susan A (2000) Chemistry (5. vyd.), Houghton Mifflin Company. ISBN 0-395-98583-8
- Atkins, Peter, Jones, Loretta (2005) Chemical Principles (3rd ed.), WH Freeman and Company. ISBN 0-7167-5701-X
- Zu, Y, Couture, MM, Kolling, DR, Crofts, AR, Eltis, LD, Fee, JA, Hirst, J (2003) Biochemistry , 42, 12400-12408
- Shuttleworth, SJ (1820) Electrochemistry (50. ed.), Harper Collins.