Электродные потенциалы и электродвижущие силы
Если металлическую пластинку опустить в воду, то катионы металла на ее поверхности гидратируются полярными молекулами воды и переходят в жидкость. При этом электроны, в избытке остающиеся в металле, заряжают его поверхностный слой отрицательно. Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла. В результате этого в системе устанавливается подвижное равновесие:
Ме + m Н2О Ме(Н2О) n+m + ne-
в растворе на металле
где n - число электронов, принимающих участие в процессе.
На границе металл — жидкость возникает двойной электрический слой, характеризующийся определенным скачком потенциала — электродным потенциалом. Абсолютные значения электродных потенциалов измерить не удается. Электродные потенциалы зависят от ряда факторов (природы металла, концентрации, температуры и др.). Поэтому обычно определяют относительные электродные потенциалы в определенных условиях – так называемые стандартные электродные потенциалы (Е°).
Стандартным электродным потенциалом металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственного иона с концентрацией (или активностью), равной 1 моль/л, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при 25°С условно принимается равным нулю (Е°=0;∆G0= 0).
Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных электродных потенциалов (Е0), получаем ряд стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений).
Положение того или иного металла в ряду стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений) характеризует его восстановительную способность, а также окислительные свойства его ионов в водных растворах при стандартных условиях. Чем меньше значение Е°, тем большими восстановительными способностями обладает данный металл в виде простого вещества и тем меньшие окислительные способности проявляют его ионы, и наоборот. Электродные потенциалы измеряют приборами, которые называют гальваническими элементами. Окислительно-восстановительная реакция, которая характеризует работу гальванического элемента, протекает в направлении, в котором ЭДС элемента имеет положительное значение. В этом случае ∆G0 < 0, так как ∆G 0= - nFE0.
Пример 1. Стандартный электродный потенциал никеля больше, чем кобальта (табл. 8). Изменится ли это соотношение, если измерить потенциал никеля в растворе его ионов с концентрацией 0,001 моль/л, а потенциалы кобальта — в растворе с концентрацией 0,1 моль/л.
Решение. Электродный потенциал металла (Е) концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость решается уравнением Нернста: с,
где Е° — стандартный электродный потенциал; n — число электронов, принимающих участие в процессе; с — концентрация (при точных вычислениях — активность) гидратированных ионов металла в растворе, моль/л; Е0 — для никеля и кобальта соответственно равны -0,25 и -0,277В. Определим электродные потенциалы этих металлов при заданных концентрациях:
Таким образом, при изменившейся концентрации потенциал кобальта стал больше потенциала никеля.
Пример 2. Магниевую пластинку опустили в раствор его соли. При этом электродный потенциал магния оказался равен -2.41В. Вычислите концентрацию ионов магния (в моль/л).
Решение. Подобные задачи также решаются на основании уравнения Нернста (см. пример 1): с ; -0,04=0,0295lg c?
.
Таблица 8
Стандартные электронные потенциалы(∆Е0) некоторых металлов
Электрод | Е0, В | Электрод | Е0, В |
Li+/ Li | -3.045 | Cd2+/Cd | -0.403 |
Rb+/ Rb | -2.925 | Co2+/Co | -0.277 |
K+/K | -2.924 | Ni2+/Ni | -0.25 |
Cs+/Cs | -2.923 | Sn2+/ Sn | -0.136 |
Ba2+/Ba | -2.90 | Pb2+/Pb | -0.127 |
Ca2+/Ca | -2.87 | Fe3+/Fe | -0.037 |
|Na+/Na | -2.714 | 2H+/H2 | -0.000 |
Mg2+/Mg | -2.37 | Sb3+/Sb | +0.20 |
Al3+/Al | -1.70 | Bi3+/Вi | +0.215 |
Ti2+/Ti | -1.603 | Cu2+/Сu | +0.34 |
Zr4+/Zr | -1.58 | Cu+/Cu | +0.52 |
Mn4+/Mn | -1.18 | Hg2+2/2Hg | +0.79 |
V2+/V | -1.18 | Ag+/Ag | + 0.80 |
Cr2+/Cr | -0.913 | Hg2+/Hg | +0.85 |
Zn2+/Zn | -0.763 | Pt2+/Pt | +1.19 |
Cr3+/Cr | -0.74 | Au3+/Au | +1.50 |
Fe2+/Fe | -0.44 | Au+/Au | +1.70 |
Пример З.Составьте схему гальванического элемента, в котором электродами являются магниевая и цинковая пластинки, опущенные в растворы их ионов с активной концентрацией 1 моль/л. Какой металл является анодом, какой катодом? Напишите уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, и вычислите его ЭДС.
Решение. Схема данного гальванического элемента
(-) Mg | Mg2+ || Zn2+ | Zn (+)
Вертикальная линейка обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две линейки — границу раздела двух жидких фаз — пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита). Магний имеет меньший потенциал (-2,37 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:
Mg°-2e- = Mg2+ (1)
Цинк, потенциал которого -0,763 В, — катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:
Zn2+ + 2е~ = Zn° (2)
Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного (2) процессов:
Mg+ Zn2+ = Mg2+ + Zn
Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода. Так как концентрация ионов в растворе 1 моль/л, то ЭДС элемента равна разности стандартных потенциалов двух его электродов:
Дата добавления: 2014-12-24; просмотров: 1959;