Стандартный электродный потенциал и электрохимический ряд

В электрохимии термины "стандартный электродный потенциал" и "электрохимический ряд" являются основополагающими. Эти концепции позволяют нам понимать и прогнозировать, как различные химические виды принимают или отдают электроны в реакциях окислительно-восстановительной. Эта статья подробно объясняет эти темы, предоставляя фундаментальное понимание и наглядные примеры.

Понимание стандартного электродного потенциала

Стандартный электродный потенциал - это мера индивидуального потенциала обратимого электрода в стандартных условиях, включая растворы с активностью 1 мол/л, газы при давлении 1 атмосфера и температуру 25°C (298 K). Этот потенциал важен для определения тенденции химического вида восстанавливаться или окисляться.

Стандартный электродный потенциал обозначается как E° и измеряется в вольтах (В). Он сравнивает способность различных электродов проводить электроны и, следовательно, выполнять окислительно-восстановительные реакции.

Стандартный водородный электрод (СВЭ) служит в качестве эталонного электрода с заданным потенциалом 0.00 В. Все остальные электродные потенциалы измеряются относительно этого эталона.

Роль стандартного водородного электрода

Стандартный водородный электрод (СВЭ) важен для определения стандартных условий и измерения электродных потенциалов. СВЭ состоит из платинового электрода, погруженного в раствор соляной кислоты с пропущенным через него водородным газом. Установка показана ниже:

СВЭ считается базовой линией при 0.00 В. Все остальные электродные потенциалы измеряются относительно этой базовой линии. Это формирует основу электрохимического ряда, который ранжирует элементы в зависимости от их стандартных электродных потенциалов.

Вычисление потенциала ячейки с использованием стандартного электродного потенциала

Гальваническая ячейка использует два различных металла, соединенных солью-мостиком или пористой мембраной, вызывая тем самым поток ионов и производство электрического тока. Стандартный потенциал ячейки, E° cell, вычисляется по уравнению:

E° cell = E° cathode - E° anode

Где:

• E° cathode - это стандартный потенциал для реакции восстановления, происходящей на катоде.
• E° anode - это стандартный потенциал для реакции окисления, происходящей на аноде.

Zn(s) | Zn 2+ (aq) || Cu2 + (aq) Cu(s)

Реакции следующие:

• На аноде: Zn(s) → Zn 2+ (aq) + 2e⁻ (стандартный потенциал = -0.76 В)
• На катоде: Cu 2+ (aq) + 2e⁻ → Cu(s) (стандартный потенциал = +0.34 В)

Общий потенциал ячейки вычисляется как:

E° cell = 0.34 V – (-0.76 V) = 1.10 V

Этот позитивный потенциал указывает на то, что реакция является спонтанной.

Электрохимический ряд и его важность

Электрохимический ряд, также известный как ряд активности, является списком элементов, расположенных в порядке их стандартных электродных потенциалов. Этот ряд помогает предсказать и понять поведение металлов в окислительно-восстановительных реакциях.

Этот ряд основан на стандартном электродном потенциале каждого металла, что делает его удобным для предсказания того, насколько легко металл отдает электроны, т.е. окисляется. Металлы в верхней части, такие как литий, имеют наибольшую склонность к окислению, в то время как металлы внизу, такие как золото, более склонны к восстановлению.

        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
    

Металлы выше в ряду могут вытеснить металлы ниже в ряду из их соединений в водном растворе.

        Zn(s) + CuSO4 (aq) → ZnSO4 (aq) + Cu(s)
    

Применение электрохимического ряда

Существует множество практических применений электрохимического ряда:

Предсказание возможности реакции

Этот ряд позволяет химикам предсказывать возможность окислительно-восстановительных реакций. Положительный потенциал ячейки указывает на то, что реакция будет спонтанной.

        Cu²⁺(aq) + Zn(s) → Cu(s) + Zn²⁺(aq)
    

Понимание коррозии

Коррозия - это окислительно-восстановительный процесс, в котором металлы медленно окисляются под воздействием окружающей среды. Электрохимический ряд помогает понять и предотвратить коррозию. Например, тенденцию железа ржаветь можно уменьшить, используя более активные металлы, такие как цинк, для гальванизации.

Расчет электродвижущей силы (ЭДС)

С помощью электрохимического ряда можно вычислять ЭДС электрохимических ячеек, что полезно при проектировании и применении батарей.

Производство химических веществ

Электрохимический ряд используется в промышленности для подготовки химических веществ. Например, он помогает определить правильный выбор металлов в процессах электролиза, таких как извлечение натрия и хлора из хлорида натрия через электролиз.

Заключение

Понимание стандартных электродных потенциалов и электрохимического ряда необходимо для понимания электрохимических реакций. Понимание этих концепций позволяет предсказывать, какие реакции вероятнее всего произойдут спонтанно, и применять эти знания в различных научных и промышленных приложениях. Помните, эти понятия раскрывают основное поведение металлов и ионов в различных сценариях, предоставляя основополагающие взгляды на электрохимию и ее прикладные области.

Комментарии