Уравнение Нернста для ЭДС гальванического элемента

Электрической характеристикой электрода является электродный потенциал, а гальванического элемента (электрохимической цепи) ‑ электродвижущая сила (ЭДС),

ЭДС правильно разомкнутой электрохимической цепи в отсутствии диффузионного потенциала соответствует разности потенциалов правого (положительного) и левого (отрицательного) электродов и всегда положительна.

ЭДС гальванического элемента

равна:

где и – активности ионов Ag⁺ и Cu²⁺ в растворах их солей.

Обозначим

,

где Е ^о – стандартная ЭДС гальванического элемента. Тогда

. (3)

Уравнение (3) носит название уравнения Нернста для ЭДС гальванического элемента.

Если в гальваническом элементе протекает обратимая химическая реакция

, то

, (4)

где

Уравнение Нернста в форме (4) применимо для расчета ЭДС любого гальванического элемента (по суммарной химической реакции) и потенциала любого электрода (по электродной реакции). ЭДС связана с термодинамическими характеристиками реакции. Известно, что

.

9.4 Классификация обратимых электродов.

Классификация обратимых электродов основана на свойствах веществ, участвующих в потенциалопределяющих процессах.

1. Электроды первого рода.

Электроды первого рода – это металлические электроды, обратимые относительно катионов (в том числе амальгамные) () и металлоидные, электроды обратимые относительно анионов ().

Если электрод обратим относительно катиона Zn²⁺/Zn, то для него можно записать:

,

Для амальгамного электрода Zn²⁺/Zn(Hg):

,

.

Если электрод обратим относительно аниона, то

,

.

К электродам первого рода относятся также газовые электроды (водородный , хлорныйи др.). Они могут быть обратимы по отношению к катиону (H⁺) или аниону (Cl^-). Например, водородный электрод обратим по отношению к катиону. Уравнение электродного процесса для него может быть записано в виде:

.

Потенциал водородного электрода определяется выражением

,

и может быть связан с pH раствора.

Для хлорного электрода с потенциалопределяющей реакцией

.

Металл (Pt) в газовых электродах необходим для создания контакта между газом и раствором, должен быть инертен по отношению к веществам, находящимся в растворе, и способен катализировать только один потенциалопределяющий процесс.

2. Электроды второго рода.

Электродом второго рода называют систему, в которой металл покрыт слоем его труднорастворимого соединения, а в растворе находятся анионы, одноименные с анионами, содержащимися в этом труднорастворимом соединении.

Рассмотрим в качестве примера хлорсеребряный электрод, представляющий собой серебряную пластинку, покрытую слоем хлорида серебра и погруженную в раствор содержащий ионы Cl^-:

.

В потенциалопределяющей реакции на этом электроде принимают участие как катионы, так и анионы. Электрохимическому процессу

(5)

сопутствует химическая реакция, приводящая к осаждению или растворению AgCl:

. (6)

Суммарное уравнение реакции, согласно которой электрод обратим относительно аниона записывается в виде:

. (7)

Реакции (7) соответствует следующее выражение для расчета электродного потенциала:

. (8)

Хлорсеребряный электрод можно рассматривать и как электрод первого рода, обратимый относительно катиона (реакция 6). У такого электрода активность ионов серебра в растворе определяется растворимостью AgCl. Потенциал электрода равен

. (9)

Для труднорастворимой соли AgCl

. (10)

Подставив выражение (10) в (9), получим:

. (11)

Выражения (8) и (11) определяют одно и тоже значение .

Откуда видно, что связь стандартных потенциалов соответствующих электродов I и II рода определяется уравнением

.

Последнее выражение позволяет определить ПР труднорастворимого соединения по значениям стандартных электродных потенциалов.

Другим примером электрода второго рода является каломельный электрод (рис. 2), состоящий из ртути, покрытой пастой, содержащей каломель Hg₂Cl₂, и соприкасающейся с раствором KCl: . Потенциалопределяющая реакция:

;

потенциал каломельного электрода определяется выражением

.

Рис. 2. Каломельный электрод.

1 — ртуть, 2 — платиновая проволока, 3 — паста из каломели, 4 — стеклянная трубка, 5 — пробка, 6 — боковая трубка, 7 — сифон, 8 — раствор KCl.

По концентрации применяемого раствора KCl различают 0,1 н., 1 н. и насыщенный каломельные электроды. Последний используется наиболее широко.

Вследствие стабильности своих потенциалов, электроды второго рода используются как электроды сравнения при потенциометрических измерениях.

3. Окислительно-восстановительные электроды.

Все электроды, которым соответствуют потенциалопределяющие реакции с участием электронов, являются окислительно-восстановительными системами. Однако принято в особую группу выделять электроды, в потенциалопределяющих реакциях которых не участвуют простые вещества – газы, металлы. Их называют окислительно-восстановительными (редокс-электроды).

Эти окислительно-восстановительные электроды состоят из инертного вещества с электронной проводимостью (например, платина), погруженного в раствор, содержащего вещества с различной степенью окисления (Red и Ox).

Металл обменивается электронами с участниками окислительно-восстановительной реакции и принимает определенный потенциал при установлении равновесия в системе. Его роль сводится к подводу и отводу электронов к веществам, реагирующим на поверхности электрода.

В общем виде схема электрода и уравнение электродной реакции будут, например, следующими:

,

.

Потенциал редокс-электрода определяется по уравнению

.

К окислительно-восстановительным относятся в первую очередь электроды, в которых Ox и Red являются ионами, а электродная реакция состоит в перемене их заряда. Например, системам

;

соответствуют следующие потенциалопределяющие реакции:

; .

Кроме рассмотренных, относительно простых редокс-электродов, существует более сложные окислительно-восстановительные электроды, в потенциалопределяющих реакциях которых участвуют ионы Н⁺ и молекулы воды.

Наиболее используемым из таких электродов на практике является хингидронный электрод, представляющий собой платиновую пластинку, погруженную в исследуемый раствор, в котором содержится небольшое количество хингидрона (ХГ) – эквимолекулярного соединения хинона и гидрохинона С₆Н₄О₂·С₆Н₄(ОН)₂.

В воде это соединение малорастворимо и распадается на хинон С₆Н₄О₂ (Х) и гидрохинон С₆Н₄(ОН)₂ (ГХ). Схема электрода и потенциаопределяющая реакция будут следующими:

,

.

Потенциал хингидронного электрода равен

,

где а _Х и а_ГХ – активности хинона и гидрохинона. Так как хинон и гидрохинон малорастворимы, то их активности можно принять равными концентрациям, а поскольку последние равны между собой, то а _Х = а_ГХ. Тогда

.

С учетом того, что , получаем

,

Т. о. хингидронный электрод может быть использован для определения pH:

, если

где E _э.с. – потенциал электрода сравнения,

E – ЭДС гальванического элемента, составленного из электрода сравнения и хингидронного электрода.

Хингидронный электрод может быть использован для измерения рН кислых и слабощелочных растворов (до рН = 8), не содержащих окислителей и восстановителей. Достоинством электрода является простота устройства и быстрое установление равновесного потенциала.

Пример 9.2. Определить рН раствора, если при 298 К ЭДС элемента

равна 0,15 В. Стандартный потенциал хингидронного электрода при этой температуре равен 0,699 В, потенциал каломельного электрода ‑ 0,337 В.

Решение.

В;

.

Для геологии важно, что величина окислительно–восстановительного потенциала в природных водах отражает равновесное окислительно-восстановительное состояние всех находящихся в данной воде систем, содержащих элементы с переменной валентностью. Поэтому величина электродного потенциала служит наиболее общим показателем окислительно-восстановительного режима вод и отражает условия их формирования. Так, восходящие минеральные воды характеризуются обычным восстановительным состоянием, а в зоне выветривания происходят окислительные процессы. На величину редокс–потенциала вод большое влияние оказывает соприкосновение их с кислородом — основным окисляющим фактором земной поверхности. Наиболее восстановленными из природных вод оказались горячие воды Пятигорска, а наиболее окисленными — природные воды, доступные воздействию кислорода воздуха, например, нарзан из каптажного колодца в Кисловодске.

Дата добавления: 2014-01-07