Електродні потенціали та електрорушійні сили

При розв’язанні задач цього розділу див. таблицю 8.

Якщо металеву пластинку опустити у воду, то катіони металу на її поверхні гідратуються полярними молекулами води і переходять у рідину. При цьому електрони, які у надлишку залишаються в металі, заряджають його поверхневий шар негативно. Виникає електростатичне притягування між гідратованими катіонами, які перейшли в рідину та поверхню металу. У результаті цього в системі встановлюється рухлива рівновага:

Ме +mH₂O = Me(H₂O)_mⁿ⁺ + n

у розчині на металі,

де n — число електронів, що беруть участь у процесі. На межі метал — рідина виникає подвійний електричний шар, що характеризується визначеним стрибком потенціалу — електродним потенціалом. Абсолютні значення електродних потенціалів вимірити не вдається. Електродні потенціали залежать від ряду факторів (природи металу, концентрації, температури та ін.). Тому звичайно визначають відносні електродні потенціали у визначених умовах – так звані стандартні електродні потенціали (Е°).

Стандартним електродним потенціалом металу називають його електродний потенціал, що виникає при зануренні металу в розчин власного іона з концентрацією (чи активністю), рівною 1 моль/л, обмірюваний у порівнянні зі стандартним водневим електродом, потенціал якого при 25⁰С умовно приймається рівним нулю (Е° = 0; DG° = 0).

Розташовуючи метали в ряд у міру зростання їх стандартних електродних потенціалів (Е°), одержуємо так званий ряд напруг.

Положення того чи іншого металу в ряді напруг характеризує його відновну здатність, а також окисні властивості його іонів у водяних розчинах при стандартних умовах. Чим менше значення E°, тим більшими відновними властивостями володіє даний метал у вигляді простої речовини і тим менші окисні властивості виявляють його іони, і навпаки. Електродні потенціали вимірюють у приладах, що одержали назву гальванічних елементів. Окисно-відновна реакція, що характеризує роботу гальванічного елемента, протікає в напрямку, у якому ЕРС елемента має позитивне значення. У цьому випадку DG° < 0, тому що DG° =-nFE°.

Приклад 1. Стандартний електродний потенціал нікелю більше, ніж кобальту (таблиця 8). Чи зміниться це співвідношення, якщо вимірити потенціал нікелю в розчині його іонів з концентрацією 0,001 моль/л, а потенціали кобальту — у розчині з концентрацією 0,1 моль/л?

Таблиця 8 – Стандартні електродні потенціали (Е °) деяких металів (ряд напруг)

Електрод	Е^0, В	Електрод	Е°,B
L i^+/ L i	-3,045	Cd^2+/Cd	-0,403
Rb^+/Rb	-2,925	Со^2+/Со	-0,277
K^+/K	-2,924	Ni^2+/Ni	-0,25
Cs^+/Cs	-2,923	Sn ^2+/Sn	-0,136
Ba^2+/Ba	-2,90	РЬ^2+/РЬ	-0,127
Ca^2+/Ca	-2,87	Fe^3+/Fe	-0,037
Na^+/Na	-2,714	2Н^+/Н2	-0,000
Mg^2+/Mg	-2,37	Sb^3+/Sb	+ 0,20
A l ^3+/A l	-1,70	Bi^3+/Bi	+0,215
Ti^2+/Ti	-1,603	Cu^2+/Cu	+0,34
Zr^4+/Zr	-1,58	Cu^+/Cu	+0,52
Mп^2+/Мп	-1,18	Hg2^2++/2Hg	+0,79
V^2+/V	-1,18	Ag^+/Ag	+0,80
Сr^2+/Cr	-0,913	Hg^2+/Hg	+0,85
Zn^2+/Zn	-0,763	Pt ^2+/Pt	+1,19
Cr^3+/Cr	-0,74	Au^3+/Au	+1,50
Fe^2+/Fe	-0,44	Au^+/Au	+1,70

Рішення. Електродний потенціал металу (Е) залежить від концентрації його іонів у розчині. Ця залежність виражається рівнянням Нернста:

,

де Е⁰– стандартний електродний потенціал; n – число електронів, що беруть участь у процесі; С – концентрація (при точних обчисленнях – активність) гідратованих іонів металу в розчині, моль/л; Е° для нікелю і кобальту відповідно рівні -0,25 та -0,277 В. Визначимо електродні потенціали цих металів при даних в умові концентраціях:

Таким чином, при концентрації, що змінилася, потенціал кобальту став більше потенціалу нікелю.

Приклад 2. Магнієву пластинку опустили в розчин його солі. При цьому електродний потенціал магнію дорівнює -2,41 В. Обчислити концентрацію іонів магнію (моль/л).

Розв’язання. Подібні задачі також розв’язуються на основі рівняння Нернста (див. приклад 1):

,

,

,

Приклад 3. Складіть схему гальванічного елемента, у якому електродами є магнієва і цинкова пластинки, опущені в розчини їхніх іонів з активною концентрацією 1 моль/л. Який метал є анодом, який катодом? Напишіть рівняння окисно-відновної реакції, що протікає в цьому гальванічному елементі, та обчисліть його ЕРС.

Розв’язання. Схема даного гальванічного елемента

-Мg/Mg²⁺//Zn²⁺/Zn (+).

Вертикальна лінійка позначає поверхню розділу між металом і розчином, а дві лінійки – границю розділу двох рідких фаз – пористу перегородку (чи сполучну трубку, заповнену розчином електроліту). Магній має менший потенціал (– 2,37 В) і є анодом, на якому протікає окисний процес:

.

Цинк, потенціал якого - 0,763 В, — катод, тобто електрод, на якому протікає відновний процес:

.

Рівняння окислювально-відновної реакції, що характеризує роботу даного гальванічного елемента, можна одержати, склавши електронні рівняння анодного (1) і катодного (2) процесів:

Mg + Zn²⁺=Mg²⁺ + Zn.

Для визначення ЕРС гальванічного елемента з потенціалу катода треба відняти потенціал анода. Тому що концентрація іонів у розчині дорівнює 1 моль/л, то ЕРС елемента дорівнює різниці стандартних потенціалів двох його електродів:

Дата добавления: 2014-12-08