Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья

Для определения направления и полноты протекания окислительно-восстановительных реакций меж окислительно-восстановительными системами в аква смесях употребляются значения электродных потенциалов этих систем.

Механизм появления электродных потенциалов, их количественное определение, процессы, которые сопровождаются появлением электронного тока либо вызваны электронным током, изучаются особенным разделом химии – электрохимией.

К химическим относятся явления, возникающие Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья на границе 2-ух фаз с ролью заряженных частиц (ионов и электронов), к примеру, при погружении железной пластинки в воду.

Для всех металлов типично свойство в большей либо наименьшей степени растворяться в воде. При всем этом в воду перебегают положительно заряженные ионы металла, в итоге чего пластинка (из-за возникновения Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья в ней лишних электронов) заряжается негативно. Гидратированные катионы металла накапливаются около поверхности пластинки на границе раздела 2-ух фаз (металл-раствор). Появляется двойной электронный слой, характеризующийся некой разностью электростатических потенциалов. Как понятно, энергию, которую нужно затратить (положительный потенциал) либо которую можно получить (отрицательный потенциал) при переносе единицы электричества из бесконечности в данную точку Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья, именуют электронным потенциалом. Меж пластинкой и веществом устанавливается окислительно-восстановительное равновесие:

. (9.1)

При погружении металла в раствор его соли также появляется двойной

электронный слой, но в данном случае вероятны два механизма его образования. Если концентрация катионов металла в растворе мала либо металл достаточно активный, вследствие чего равновесие процесса, обозначенного выше Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья, сдвинуто на право, то железная пластинка заряжается негативно:

В этом случае, когда концентрация катионов металла в растворе велика либо металл малоактивный, равновесие обозначенного процесса двигается на лево и железная пластинка заряжается положительно:

В любом случае на границе раздела 2-ух фаз появляется двойной электронный слой. Разность (скачок Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья) потенциалов, возникающая меж металлом и водянистой фазой, именуется электродным потенциалом Е. Потенциалу металла приписывается тот символ, который появляется на его поверхности в двойном электронном слое.

Пластинка металла и раствор его соли (т.е. катионы этого металла) совместно составляют единую окислительно-восстановительную систему, характеризующуюся определенным электродным потенциалом, который находится в Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья зависимости от природы металла, концентрации его ионов в растворе, от температуры и рН среды.

При определении скачка потенциала в окислительно-восстановительных системах, не содержащих жесткой фазы (к примеру, MnO4-/Mn2+ либо Cr2O72-/Cr3+), употребляют инертные электроды (великодушные металлы, графит). В данном случае инертные электроды, адсорбируя из раствора молекулы Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья, атомы либо ионы, играют роль жесткой фазы, обеспечивающей появление скачка потенциалов на межфазной границе.

Экспериментально найти абсолютное значение электродного потенциала нереально. Потому на практике измеряется разность потенциалов меж электродным потенциалом исследуемой системы и потенциалом электрода сопоставления. В качестве стандартного электрода сопоставления обычно употребляют водородный электрод. Он делается из губчатой платины, погруженной в Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья раствор H2SO4 c активностью ионов водорода, равной единице (что соответствует приблизительно их концентрации, равной 1 моль/л). Через раствор при 298 К (25 оС) под давлением в 101,325 кПа пропускается газообразный водород, который поглощается губчатой платиновой пластинкой.

Рис.9.1 Гальваническая цепь для измерения электродного потенциала:

I – водородный электрод, II – солевой мостик, III – измеряемый Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья электрод.

Таким макаром, поверхность платинового электрода практически насыщена водородом, в итоге чего в системе устанавливается равновесие:

, (9.2)

которое характеризуется определенным значением скачка потенциала на межфазной границе. Электродный потенциал, отвечающий данным условиям, получил заглавие стандартного водородного потенциала , а его численное значение условно принято равным нулю. Потенциал водородного электрода воспроизводится с Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья очень высочайшей точностью.

Сочетая электрод, представляющий исследуемую окислительно-восстановительную систему, со стандартным водородным электродом, определяют электродный потенциал Е данной системы. Для того, чтоб можно было ассоциировать окислительно-восстановительные характеристики разных систем по их электродным потенциалам, нужно, чтоб последние также были измерены при стандартных критериях. Такими обычно являются концентрация Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья ионов, равная 1 моль/л, давление газообразных веществ 101,325 кПа и температура 298,15 К. Потенциалы, измеренные в таких критериях, носят заглавие стандартных электродных потенциалов и обозначаются Ео. Они нередко именуются также окислительно-восстановительными либо редокс-потенциалами, представляя собой разность меж редокс-потенциалом системы при стандартных критериях и потенциалом стандартного водородного электрода.

Символ Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья определенного Ео соответствует заряду электрода по отношению к стандартному водородному электроду.

Стандартный электродный потенциал – это потенциал данного электродного процесса при концентрациях всех участвующих в нем веществ, равных единице.

Стандартные электродные потенциалы окислительно-восстановительных систем приводятся в справочной литературе. Эти системы записаны в форме уравнений полуреакций восстановления, в левой Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья части которых находятся атомы, ионы либо молекулы, принимающие электроны (окисленная форма):

Ox + n× = Red. (9.3)

Эти системы в таблицах размещены в порядке возрастания величин их потенциалов, что соответствует падению восстановительной и росту окислительной активности. Система с огромным электродным потенциалом всегда является окислителем по отношению к системе с наименьшим потенциалом.

Выделяя из Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья этого ряда окислительно-восстановительные системы типа Меn+/Me и располагая их в порядке возрастания стандартных электродных потенциалов, получают химический ряд напряжений металлов: Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H2, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

Химический ряд напряжений Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья охарактеризовывает характеристики металлов в аква смесях:

чем меньше электродный потенциал металла, тем легче он окисляется и сложнее восстанавливается из собственных ионов;

металлы, имеющие отрицательные электродные потенциалы, т.е. стоящие в ряду напряжений левее водорода, способны теснить его из разбавленных смесей кислот;

каждый металл способен теснить (восстанавливать) из смесей Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья солей те металлы, которые имеют более высочайший электродный потенциал.

При критериях, отличающихся от стандартных, численное значение сбалансированного электродного потенциала для окислительно-восстановительной системы, записанной в форме , определяется по уравнению Нернста:

(9.4)

где и - соответственно электродный и стандартный потенциалы системы; R – универсальная газовая неизменная; Т – абсолютная температура; F – неизменная Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья Фарадея; n – число электронов, участвующих в окислительно-восстановительном процессе.

С(Red) и C(Ox) – молярные концентрации соответственно восстановленной и окисленной форм соединения.

, когда C(Red) = C(Ox) = 1.

При подстановке численных значений R = 8,314 Дж/(моль×К), F=96494 Кл и Т (298 К) и подмене натуральных логарифмов на десятичные уравнение упрощается:

. (9.5)

К Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья примеру, для окислительно-восстановительной системы

уравнение Нернста имеет вид

.

Ячейка для измерения электродного потенциала, к примеру элемент Якоби-Даниэля, представляет собой пример химического (гальванического) элемента – устройства, в каком хим энергия окислительно-восстановительной реакции конкретно преобразуется в электронный ток. Их именуют также хим источниками электронной энергии (ХИЭЭ).

Гальванический элемент состоит из 2-ух полуэлементов Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья (окислительно-восстановительных систем), соединенных меж собой железным проводником и солевым мостиком. На каждом полуэлементе (нередко именуемом электродом) происходит полуреакция (электродный процесс). Процесс окисления (отдача электронов) осуществляется на аноде (отрицательный полюс), а восстановления (прием электронов) – на катоде (положительный полюс). К примеру, в представленном гальваническом элементе анодом является цинковый электрод:

а катодом Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья – водородный либо медный электрод:

2Н+ + 2 Н2

.

Электроны от анода по наружной цели протекают к катоду. Соответственная схема такового гальванического элемента записывается последующим образом:

- водородный катод;

(-) Zn½Zn2+ êê - медный катод.

На схеме одна вертикальная линия изображает границу раздела фаз (элетрод-раствор), а две вертикальные полосы – границу меж смесями Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья (на практике она обычно обеспечивается при помощи солевого мостика – U-образной трубки с веществом электролита, нужного для замыкания цели меж 2-мя электродами).

Предпосылкой появления и протекания электронного тока в гальваническом элементе является разность электродных потенциалов (э.д.с) 2-ух окислительно-восстановительных систем, соединенных меж собой. Э.д.с (DЕ) хоть Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья какого гальванического элемента определяется общей формулой:

где Ек и Еа – электродный потенциал соответственно на катоде и на аноде.

Потому что может иметь только положительное значение, то Ек > Еа, т.е. катодом является электрод с более высочайшим электродным потенциалом.

При таком осуществлении окислительно-восстановительной реакции ее энергия преобразуется в Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья электронную энергию, которую можно использовать, включив во внешнюю цель устройство, потребляющее электронную энергию (к примеру, электронагревательный прибор, электронную лампу и т.п.).

Действие хоть какого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простом случае гальванический элемент состоит из 2-ух пластинок либо стержней, сделанных из разных металлов Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья и погруженных в раствор электролита. Такая система делает вероятным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, а восстановление – на другом. Таким макаром, электроны передаются от восстановителя к окислителю по наружной цепи. К примеру, элемент Якоби-Даниэля:

.

В принципе электронную энергию может дать неважно какая окислительно Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья-восстановительная реакция. Но число реакций, фактически применяемых в хим источниках электронной энергии, невелико.

Все обыденные ХИЭЭ не свободны от недочетов: цена веществ, нужных для их работы (Pb, Cd и т.д.) высока; отношение количества энергии, которую может дать элемент, к его массе не достаточно.

Протекание окислительно-восстановительных процессов Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья в сильной степени находится в зависимости от разных критерий, сначала от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры и нрава среды.

Так, концентрированная и разбавленная HNO3 по-разному восстанавливается при содействии с одним и этим же восстановителем:

;

.

Традиционным примером различия нрава протекания реакций с одними и теми же окислителями и Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья восстановителями является восстановление KМnO4 зависимо от реакции среды:

рН < 7

pH = 7

pH > 7

Обычно, для сотворения кислой среды употребляют относительно разбавленную Н2SO4 (пореже HCl). Щелочная среда обычно создается при помощи смесей КОН и NaОН.

Изменение величины электродного потенциала каждой из 2-ух полуреакций суммарного окислительно-восстановительного процесса и даже смена его направления могут Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья быть достигнуты также за счет конфигурации температуры:

.

При помощи электродных потенциалов довольно легко решается вопрос о составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций, направлении и полноте их самопроизвольного протекания и т.п.

Как понятно, термодинамическим условием самопроизвольного протекания хим процесса является отрицательное значение конфигурации изобарно-изотермического потенциала, т.е. DG < 0. Связь Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья меж этой термодинамической функцией и э.д.с. гальванического элемента, составленного из 2-ух окислительно-восстановительных систем, выражается формулой;

где n – число электронов, участвующих в суммарном окислительно-восстановительном процессе.

Из последнего выражения следует, что термодинамическим условием самопроизвольного протекания процесса в прямом направлении является положительное значение э.д.с Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья (DЕ), когда система с более высочайшим значением электродного потенциала выступает в качестве окислителя, т.е. восстанавливается. К примеру, в гальваническом элементе, состоящем из 2-ух электродов, характеризующихся последующими параметрами:

суммарный окислительно-восстановительный процесс самопроизвольно осуществляется при условии протекания восстановительной реакции лишь на медном электроде, а окислительной – на цинковом. Как следует, в объединенном Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья уравнении электродная реакция процесса с наименьшим потенциалом записывается в оборотном направлении, а процесса с огромным потенциалом – в том виде, в каком она представлена в таблице, т.е. в форме процесса восстановления:

.

Если окислитель и восстановитель размещены довольно далековато друг от друга в ряду стандартных электродных потенциалов, то направление окислительно-восстановительного Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья процесса фактически совершенно точно определяется их обоюдным положением в этом ряду. При близких значениях Ео (разница меньше 0,3 В) нужно учесть, кроме рН среды и температуры, также концентрации реагирующих веществ, так как при изменении этих характеристик процесса часто может изменяться и направление его протекания.

Применяя значение DЕо окислительно-восстановительной реакции Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья, можно высчитать ее константу равновесия. Для суммарного процесса типа уравнение Нернста (при 298,15 К) имеет вид

. (9.6)

Отношение концентраций представляет собой выражение константы равновесия окислительно-восстановительного процесса:

По мере протекания процесса концентрации Ох1 и Red2 уменьшаются, а Red1 и Ох2 – растут, что приводит в итоге к значению DЕ = 0 и, как Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья следует, к DG = 0, характеризующему состояние равновесия:

откуда К можно высчитать по выражению:

.

Перечень литературы

Глинка Н.Л. Общая химия. – Л.: Химия, 1978. – С. 270–290.

Шиманович И.Е., Павлович М.Л., Тикавый В.Ф., Малашко П.М. Общая химия в формулах, определениях, схемах. – Мн.: Унiверсiтэцкае, 1996. – С. 142 – 155.

Воробьев В.К., Елисеев С.Ю., Врублевский А Электродные потенциалы. Электродвижущие силы - статья.В. Практические и самостоятельные работы по химии. – Мн.: УП «Донарит», 2005. – С. 75-81.


elektricheskaya-duga-peremennogo-toka.html
elektricheskaya-os-serdca-eos.html
elektricheskaya-set-kak-chast-elektricheskoj-sistemi.html