Электрод. Электродный потенциал

Электродом в электрохимии принято называть любой металл, погруженный в воду или раствор любого электролита. Чаще всего на практике рассматривается система, состоящая из металла и раствора соли, содержащей ионы данного металла.

Условно электрод записывается в виде схемы:

Цинковый электрод (-) Zn / ZnSO₄ (-) Zn / Zn²⁺

Никелевый электрод (-) Ni / NiSO₄ (-) Ni / Ni²⁺

Водородный электрод Н₂ / Н₂SO₄ Н₂ / 2Н⁺

Медный электрод (+) Cu / CuSO₄ (+) Cu / Cu²⁺

Если пластинку металла (Ме) погрузить в раствор, содержащий его ионы:

Меⁿ⁺ + nē Ме

раствор пластинка

или

Ме Меⁿ⁺ + nē

пластинка раствор

то между металлом и раствором возникает разность потенциалов, которая называется электродным потенциалом и обозначается буквой j (фи).

Электродный потенциал зависит от природы металла, концентрации ионов в растворе и от температуры.

8.4.2. Измерение электродных потенциалов

Абсолютное значение электродного потенциала измерить невозможно, измеряют относительное значение потенциала. В качестве электрода сравнения берут потенциал водородного электрода, который условно принимается равным нулю:

j°_{Н /2Н}⁺ = 0.

При измерении относительных значений электродных потенциалов металлов составляется гальванический элемент из испытуемого электрода и водородного, и измеряется электродвижущая сила (ЭДС) этого элемента.

Так как потенциал водородного электрода равен нулю, то показания прибора, измеряющего ЭДС гальванического элемента, дадут значение потенциала металла.

Электродный потенциал, измеренный при стандартных условиях:

Т = 298 К, р = 101,3 кПа; С_М = 1 моль/л, называется стандартным и обозначается j°.

По значениям j° составлен ряд стандартных электродных потенциалов (приложение 1), который используется при расчетах ЭДС гальванических элементов. Ряд стандартных электродных потенциалов дает количественную характеристику активности металлов.

Зависимость электродного потенциала от концентрации ионов металла в растворе и температуры описывается уравнением Нернста:

RT 2,3 RT

j = j° + ^______. ln C_Meⁿ⁺ = j° + ^________. lg C_Meⁿ⁺

nF nF

где j° - стандартный электродный потенциал, В;

R - универсальная газовая постоянная 8,314 Дж/моль ^. К;

Т - абсолютная температура раствора, К;

n - число электронов, участвующих в окислительно-восстановительном процессе;

С_Meⁿ⁺ или [Меⁿ⁺] - концентрация ионов металла в растворе, моль-ион/л

F - число Фарадея, 96500 кулонов (Кл).

После введения значений постоянных величин уравнение примет вид:

0,059

j = j° + ^________. lg C_Meⁿ⁺

n

8.4.3. Расчет ЭДС и характеристика гальванического элемента

Основные параметры гальванического элемента и расчет ЭДС рассматривается на примере.

Пример. Рассчитать ЭДС элемента, состоящего из никелевой пластинки, погруженной в раствор NiSO₄ с концентрацией ионов никеля [Ni²⁺] = 0,01 моль/л и медной пластинки, погруженной в раствор CuSO₄ с концентрацией ионов меди [Cu²⁺] = 0,01 моль/л.

Схема записи гальванического элемента.

(-) Ni ê NiSO₄ êê CuSO₄ êCu (+)

Электродные процессы:

(-) Анод Ni⁰ - 2ē ® Ni²⁺ окисление

(+) Катод Cu²⁺ + 2ē ® Cu восстановление

Суммарное уравнение:

Ni + CuSO₄ ® NiSO₄ + Сu

АНОД - электрод, на котором идет процесс окисления. Анодом в гальваническом элементе служит более активный металл, который отдает электроны, имеет более отрицательный потенциал и заряжается отрицательно.

КАТОД – электрод, на котором идет процесс восстановления. Катодом в гальваническом элементе является менее активный металл, он заряжается положительно.

В данном гальваническом элементе анодом служит никель, так как его потенциал более отрицательный, j°_Ni/Ni²⁺ = - 0,23 В, а медь будет катодом, потенциал медного электрода равен j°_Cu/Cu²⁺ = +0,34 В.

Так как электроды опущены соответственно в растворы солей NiSO₄ и CuSO₄ с концентрацией отличной от стандартной, то их потенциалы рассчитываются по формуле Нернста:

0,059

j_Ni/Ni²⁺ = j°_Ni/Ni²⁺ + ^______. lg C_Ni²⁺ = - 0,23 + 0,029 ^. lg 10^-2 = 0,29 В

0,059

j_Cu/Cu²⁺ = j°_Cu/Cu²⁺ + ^______. lg C_Cu²⁺ = +0,34 + 0,029 ^. lg 10^-2 = 0,28 В

ЭДС любого гальванического элемента находят по формуле:

Е = j_{окислителя} - j_{восстановителя} или Е = j_катода - j_анода

В данном случае:

Е = j°_Cu/Cu²⁺ - j°_Ni/Ni²⁺ = 0,28 – (- 0,29) = 0,57 В.

Обосновать возможность работы гальванического элемента можно расчетом DG суммарной реакции окисления - восстановления, которая лежит в основе работы гальванического элемента.

Если свободная энергия системы уменьшатся, т.е. DG < 0, то такой элемент будет работать.

Расчет DG ведут по уравнению:

DG = - nFE

где n - число электронов, участвующих в реакции;

F - число Фарадея, 96500 Кл;

Е - ЭДС гальванического элемента, В.

При Е > 0, DG < 0

В нашем случае:

DG = - 2 ^. 96500 ^. 0,57 < 0

Вывод: гальванический элемент будет работать, т.е. давать электрический ток, производить энергию.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: