標準電極電位と電気化学系列
電気化学では、「標準電極電位」と「電気化学系列」という用語は基本的なものです。これらの概念により、異なる化学種がどのようにして酸化還元反応で電子を受け入れたり、放出したりするかを理解し予測することができます。この記事では、これらの話題を詳細に説明し、基本的な理解と例を提供します。
標準電極電位の理解
標準電極電位は標準状態条件下での可逆電極の個々の電位の尺度です。ここでの条件は、溶質の活量が1 mol/Lで、ガスが1気圧で、温度が25°C（298 K）であることを含みます。この電位は、化学種が還元または酸化される傾向を判断するのに重要です。
標準電極電位はE°で表され、ボルト（V）で測定されます。異なる電極が電子を駆動し、酸化還元反応を実行する能力を比較します。
標準水素電極（SHE）は基準電極として使用され、その電位は0.00 Vに設定されています。他のすべての電極電位はこの標準に対して測定されます。
標準水素電極の役割
標準水素電極（SHE）は標準条件の定義や電極電位の測定で重要な役割を果たします。SHEは塩酸溶液に浸した白金電極とそこに流された水素ガスで構成されます。設置は以下の通りです:
SHEは0.00 Vで基準と見なされます。他のすべての電極電位はこの基準に対して測定されます。これは電気化学系列の基礎を形成し、標準電極電位に基づいて元素をランクします。
標準電極電位を利用したセル電位の計算
ガルバニ電池は、イオンが流れ電流を発生させるために塩橋または多孔質膜で接続されたいくつかの異なる金属を使用します。標準電池電位、E° cellは、次の式を使用して計算されます:
E° cell = E° cathode - E° anode
定義:
E° cathodeはカソードで起こる還元反応の標準電位です。E° anodeはアノードで起こる酸化反応の標準電位です。
Zn(s) | Zn 2+ (aq) || Cu2 + (aq) Cu(s)
反応は以下の通りです:
- アノードで:
Zn(s) → Zn 2+ (aq) + 2e⁻(標準電位 = -0.76 V) - カソードで:
Cu 2+ (aq) + 2e⁻ → Cu(s)(標準電位 = +0.34 V)
全体のセル電位は以下の通り計算されます:
E° cell = 0.34 V – (-0.76 V) = 1.10 V
この正の電位は反応が自発的であることを示しています。
電気化学系列とその重要性
電気化学系列、または活性系列としても知られるものは、標準電極電位に従って順序付けられた元素のリストです。この系列は、酸化還元反応中に金属の挙動を予測し、理解するのに役立ちます。
この系列は各金属の標準電極電位に基づいており、金属がどれほど容易に電子を失い、すなわち酸化するかを予測するのに役立ちます。リチウムのように上位にある金属は酸化しやすい傾向にあり、金や銀のように下位にある金属は還元されやすい傾向にあります。
Li⁺/Li < -3.05 V
K⁺/K < -2.93 V
Na⁺/Na < -2.71 V
Ca2⁺/Ca2 < -2.87 V
,
Cu2⁺/Cu2 < +0.34 V
Ag⁺/Ag < +0.80 V
Au3⁺/Au < +1.50 V
系列内のより上位の金属は、溶液中の化合物として低位の金属を置換することができます。
Zn(s) + CuSO 4 (aq) → ZnSO 4 (aq) + Cu(s)
電気化学系列の応用
電気化学系列には多くの実用的な応用があります:
反応の実現可能性の予測
この系列は化学者が酸化還元反応の実現可能性を予測することができます。正のセル電位は反応が自発的であることを示します。
Cu²⁺(aq) + Zn(s) → Cu(s) + Zn²⁺(aq)
正の結果電位は、反応が可能であることを示します。
腐食の理解
腐食は、金属が環境によってゆっくりと酸化される酸化還元過程です。電気化学系列は腐食を理解し、防ぐのに役立ちます。例えば、亜鉛メッキを使った亜鉛のよりアクティブな金属を使用することで、鉄の錆を減少させることができます。
電動力(EMF)の計算
電気化学系列を通じて、電気化学セルの起電力を計算でき、これによりバッテリーの設計と応用に有用です。
化学品製造
電気化学系列は、化学品の工業的な製造に利用されます。たとえば、電解プロセスにおける適切な金属の選択決定に役立ち、電解による塩化ナトリウムからのナトリウムと塩素の抽出などで使用されます。
結論
標準電極電位と電気化学系列を理解することは、電気化学反応を理解するのに不可欠です。これらの概念を理解することで、どの反応が自発的に進行する可能性があるかを予測し、この知識を様々な科学的及び工業的応用に利用できます。これらの概念は、異なるシナリオにおける金属とイオンの基礎的な挙動を明らかにし、電気化学およびその応用分野における基礎的な洞察を提供します。
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