Надо Знать

добавить знаний



Электродный потенциал



Электродный потенциал - разница электрических потенциалов между электродом и электролитом, в контакте с которым он находится (чаще всего между металлом и раствором электролита).

Если пластинку любого металла, например, цинка погрузить в воду, то ионы цинка, образующих кристаллическую решетку металла, под действием полярных молекул воды гидратуються, связь их с решеткой ослабляется, и некоторая их количество, отрываясь от металла, перейдет в воду, а на металле останется эквивалентное количество электронов:

Zn = Zn 2 + + 2e -

Между катионами металла перешли в воду, и отрицательно заряженной пластинкой возникает электростатическое притяжение, которое предопределяет обратный процесс - переход ионов металла на пластинку; в системе устанавливается химическое равновесие.

Ионы цинка переходят из пластинки в раствор и оседают из раствора на пластинке с одинаковой скоростью. На границе между металлом и раствором образуется двойной электрический слой и возникает скачок потенциала. Чем крепче кристаллическая решетка металла, тем труднее иона металла перейти в раствор. Чем больше величина теплоты гидратации, тем легче ионам перейти в раствор. Следовательно, при соприкосновении металла с водой его ионы находятся под действием двух конкурирующих сил.

Если жидкость - вода, то для всех металлов в качественном отношении картина будет однозначным: металл заряжается отрицательно, слой жидкости, прилегающий к нему, положительно. Иная картина наблюдается в случае, если металлическую пластинку погрузить в раствор соли этого металла. Если металл неактивный, то будет преобладать процесс осаждения ионов из раствора, и пластинка такого металла приобретает положительный заряд.

Так что при погружении металлической пластинки в раствор собственной соли на месте соприкосновения металла с раствором возникает скачок потенциала, величина и знак которого зависят от химической природы металла и от активности его ионов в растворе.

Проводник (металл), погруженный в раствор электролита, называется электродом.

Разность потенциалов (скачок потенциала), возникающая на границе раздела электрод - раствор, называется электродным потенциалом.

Величину электродного потенциала можно рассчитать по уравнению Нернста:

E = E_0 + (2.3 RT / nF) \ lg \, a (x)

Для Т = 298 К:

E = E_0 (0.059 / n) \ lg \, a (x)

Данный момент наука не располагает методов, позволяющих измерять абсолютное значение электродных потенциалов, можно измерить только разность потенциалов. Для этого требуется некоторое потенциал условно принять равным нулю. Таким потенциалом является нормальной (стандартный) потенциал водородного электрода. Нормальный водородный электрод представляет собой платиновую пластинку, покрытую платиновой чернью, погруженную в раствор кислоты активность ионов Н + в котором равна 1 моль / л. Через раствор пропускают тщательно очищен водород под давлением 101325 Па (1 ат.). Поверхность платины покрывается слоем газообразного водорода. На рубеже газообразный водород - ионы водорода проходит реакция.

В качестве стандартного электрода сегодня пользуются нормальным водородным, а другим проще в изготовлении. Для измерения электродных потенциалов собирают гальванический элемент - прибор, в котором энергия химической реакции непосредственно преобразуется в электрическую энергию. Он состоит из двух электродов.

Электрод, потенциал которого визачають, называют Электродом определения. Другой электрод с известным значением электродного потенциала называют электродом сравнения. ЭДС гальванического элемента равна максимальной разности электродных потенциалов. При расчетах эдс от потенциала положительного елекроду отнимают потенциал негативного, так как ЭДС является величиной положительной.

Значения нормальных (стандартных) потенциалов получают за условий в что электрод определения погружен в раствор своей соли с активность ионов 1 моль / л, а измерения проходят при Т = 298 К.


Природа возникновения

При погружении металла в раствор он "распадается" - его катионы начинают переходить в раствор, в результате чего на поверхности металла остается равный по величине, но противоположный по знаку заряд в виде избыточных электронов (валентных электронов). То есть поверхность металла становится отрицательно заряженной и начинает притягивать к себе положительно заряженные ионы металла, которые уже перешли в раствор и, таким образом, препятствует свободному передвижению катионов в объеме раствора. На границе металла с раствором возникает двойной электрический слой, который можно представить в виде плоского конденсатора, отрицательная обложка которого - это поверхность металла, а положительная - слой розчиннених ионов, который соприкасается с поверхностью металла. Уже после растворения очень небольшого количества ионов заряд двойного слоя настолько возрастает, что дальнейшее раствор металла прекращается.

Если металл погрузить не в воду, а в раствор своих ионов (например, Zn в раствор ZnSO 4), то картина будет выглядеть иначе. Если концентрация раствора ZnSO 4 небольших, то образование двойного электрического слоя будет происходить так же, как и в воде. Если же концентрация ионов в растворе высокая, то сначала будет наблюдаться осадок катионов с поверхности металла. В результате поверхность металла зарядится положительно и начнет притягивать отрицательные ионы (например, SO 4 2 -). Образуется двойной электрический слой с положительной обложкой из металла и отрицательной - из растворенных анионов.

Катионы будут оседать до тех пор, пока заряд на поверхности не достигнет такой величины, при которой дальнейшее осадок станет невозможным по причине отталкивания одноименных зарядов металла и его ионов.

В случае наличия двух противоположно заряженных тел говорят, что между ними существует разность потенциалов. Такая разность потенциалов устанавливается в двойном электрическом слое, на границе "металл - раствор", благодаря переходу ионов из металла в раствор и обратно. Пару "металл - раствор" принято называть электродом, а потенциал - электродной. Разность электрических потенциалов между металлом и раствором при установке ионного равновесия называется равновесным электродным потенциалом


Величина электродного потенциала

Величина электродного потенциала в неравновесном состоянии зависит как от природы и состава веществ-участников электродного процесса, так и от кинетических закономерностей электродных реакций на границе раздела этих веществ.

Равновесное значение скачка потенциалов на границе раздела веществ-участников электродного процесса определяется исключительно особенностями электродной реакции и не зависит от природы электрода и адсорбции на нем поверхностно-активных веществ.

К этому времени измерить абсолютную величину равновесного электродного потенциала для какого-либо вещества еще не удалось. Когда нужно построить числовую шкалу электродных потенциалов, то используют относительный электродный потенциал, который обычно называют просто электродным потенциалом, и представляющий собой разность потенциалов рассматриваемого электрода и электрода сравнения. Роль электрода сравнения чаще всего играет водородный электрод, электродный потенциал которого условно определяется принимается нулевым.

Величина электродного потенциала зависит от активности веществ-участников электродного процесса и измеряется с помощью уравнения Нернста:

\ Phi = {\ phi ^ {0}} + \ frac {R \ cdot T} {n \ cdot F} \ cdot \ lg \, {Men +}

, Где

\ Phi - Электродный потенциал;
{\ Phi ^ {0}} - Стандартный электродный потенциал (потенциал, который возникает на границе металла с раствором его ионов при концентрации последних 1 моль / л);
R - Универсальная газовая постоянная (R = 8,31 Дж / (моль. К));
T - Абсолютная температура;
n - Число электронов, участвующих в электрохимическом процессе;
F - Число Фарадея (F = 96 500 Кл);
Men + - Концентрация ионов металла, моль / л.

Уравнение Нернста показывает, что электродный потенциал каждого электрода может изменяться в очень широком диапазоне. Чем меньше алгебраическая величина электродного потенциала металла, тем сильнее восстановительные свойства имеет металл, и тем меньше окислительные свойства проявляет катион этого металла.

Для окислительно-восстановительных систем с инертным электродом, в которых все компоненты электрохимической реакции находятся в растворе, электродный потенциал (окислительно-восстановительный потенциал) определяется активностями как окисленной (aok), так и отстроенной (ав) форм вещества.

В случае, когда на электроде возможно одновременное протекание более одной электродной реакции, используется понятие стационарного электродного потенциала. При пропускании электрического тока вимирений электродный потенциал д. отличаться от равновесного на величину поляризации.


См.. также

  • Стандартный электродный потенциал

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам