Электродные потенциалы

МИНЕСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НЕГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ  МЕДИЦИНСКИЙ ИНСТИТУТ «РЕАВИЗ»

ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ  ФАКУЛЬТЕТ

 

 

 

 

Р Е  Ф Е Р А Т 

Тема: Электродные  потенциалы

 

 

 

Выполнила студентка

2 курса 162группы

Барановская Екатерина

Михайловна

 

 

                                                     

                                                       Адрес: Самарская область, г.  Чапаевск,

                                                                     ул. Пархоменко д. 100, кв. 5

 

 

 

 

 

САМАРА 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1. Понятие и значение электродного потенциала……………3
2. Механизм возникновения электродного потенциала…….5
3. Измерение электродного потенциала………………….…..7

Список использованной литературы………………………..11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Понятие и значение электродного потенциала

 

Электродный потенциал - разность электростатических потенциалов между электродом и находящимся с ним в контакте электролитом. Возникновение электродного потенциала обусловлено пространственным разделением зарядов противоположного знака на границе раздела фаз и образованием двойного электрического слоя. На границе между металлическим электродом и раствором электролита пространственное разделение зарядов связано со следующим явлениями: переносом ионов из металла в раствор в ходе установления электрохимического равновесия, кулоновской адсорбцией ионов из раствора на поверхность металла, смещением электронного газа за пределы положительно заряженного ионного остова кристаллической решетки, специфической (некулоновской) адсорбцией ионов или полярных молекул растворителя на электроде и др. Последние два явления приводят к тому, что электродный потенциал не равен нулю даже при условиях, когда заряд поверхности металла равен нулю.

Абсолютную  величину электродный потенциал  отдельного электрода определить невозможно, поэтому измеряют всегда разность потенциалов  исследуемого электрода и некоторого стандартного электрода сравнения  электродный потенциал равен  эдс электрохимической цепи, составленной из исследуемого и стандартного электродов (диффузионный потенциал между разными электролитами, обусловленный различием скоростей движения ионов, при этом должен быть устранен). Для водных растворов в качестве стандартного электрода обычно используют водородный электрод (Pt, Н2[0,101 МПа] | Н+[a= 1]), потенциал которого при давлении водорода 0,101 МПа и термодинамической активности а ионов Н+ в растворе, равной 1, принимают условно равным нулю (водородная шкала электродных потенциалов). При схематическом изображении цепи водородный электрод всегда записывают слева; например, потенциал медного электрода в растворе соли меди равен эдс цепи Pt, H2|HCl CuCl2|Cu|Pt (две штриховые черты означают, что диффузионный потенциал на границе НСl и СuСl2 устранен).

Если исследуемый  электрод находится в стандартных  условиях, когда активности всех ионов, определяющих электродный потенциал, равны 1, а давление газа (для газовых  электродов) равно 0,101 МПа, значение электродный  потенциал наз. стандартным (обозначение E°).

Оно связано  со стандартным изменением энергии  Гиббса  и константой равновесия Кр электрохимической реакции уравнением: , где F - число Фарадея; n - число электронов, участвующих в реакции; R - газовая  постоянная; Т - абс. температура. Значения E° электрохимических систем по отношению к водородному электроду и протекающие на электродах реакции сведены в специальные таблицы.

Зависимость электродного потенциала от термодинамических активностей  участников электрохимической реакции  выражается уравнением Нернста:

где vi - стехиометрический  коэффициент участника реакции, причем для исходных веществ это  отрицательная величина, а для  продуктов реакции - положительная.

Если через  электрод протекает электрический  ток, электродный потенциал отклоняется от равновесного значения из-за конечной скорости процессов, происходящих непосредственно на границе электрод – электролит.

 

 

 

 

 

 

 

2. Механизм возникновения электродного потенциала

 

При соприкосновении двух химически или физически разнородных материалов между ними возникает разность потенциалов. Наибольший интерес представляют контакты проводников: металл—металл, металл — раствор соли металла, раствор электролита—раствор электролита и т. д. Изменение потенциала при переходе через границу происходит резко,.поэтому говорят, что имеет место скачок потенциала.

Возникновение скачка потенциала вызывается различными причинами, зависящими от природы контактирующих материалов. Главной причиной является обмен заряженными частицами, в результате которого создается избыток носителей электричества данного знака по одну сторону и их недостаток по другую сторону границы раздела. Обмен заряженных частиц приводит к возникновению двойного электрического слоя. Двойной электрический слой подобен заряженному конденсатору с определенной разностью потенциалов между обкладками.

 При контакте металлической пластинки с водой расположенные на поверхности катионы металла гидратируются полярными молекулами воды (рис. а). Выделяющаяся при этом энергия гидратации Е_т идет на разрыв связи ионов с кристаллической решеткой металла Е_м. Вследствие этого расположенные на поверхности катионы переходят в водную фазу. Металлическая пластинка при этом приобретает отрицательный заряд, а близлежащий слой воды — положительный. Таким образом, на границе раздела металл — вода возникает двойной электрический слой (рис.б).

Скачок потенциала, возникающий на границе раздела металл — раствор его соли, называется электродным потенциалом

С возрастанием заряда скорость перехода ионов из металла в жидкость уменьшается. В то же время скорость обратного процесса возрастает. При определенном заряде металла устанавливается равновесие, которое характеризуется равенством скоростей прямого и обратного процесса. Устанавливающаяся при этом разность потенциалов в двойном электрическом слое зависит от природы металла, растворителя и температуры.

Более сложную картину наблюдают, когда металл контактирует не с чистой водой, а с раствором соли этого металла.

Возникновение электродного потенциала обусловлено обратимым переходом катионов  из металла в раствор его соли и обратно .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Измерение электродного потенциала

 

От чего зависит  электродный потенциал? Можно ли его измерить и как это сделать? Отвечая на этот вопрос электрохимики  предлагают нам уравнение Нернста:

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

 

где и - соответственно электродный и стандартный потенциалы системы; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура; F – постоянная 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 замене натуральных  логарифмов на десятичные уравнение  упрощается:

Теперь возникает вопрос: как измерить электродный потенциал? Мы знаем, что если определенным образом соединить два электрода, то получиться гальванический элемент. Напряжение этого элемента равно разности электродных потенциалов двух составляющих его электродов. Если известен электродный потенциал одного электрода, мы можем определить электродный потенциал другого. Трудность заключается в том, что необходимо знать значение одного электродного потенциала. Принято, что потенциал стандартного водородного электрода равен нулю.

Водородный  электрод сделан из платины и погружен в раствор серной кислоты (концентрация Н +-- 1 моль/л). Поверхность электрода  шероховатая и достаточно большая. Поток газообразного водорода равномерно обтекает электрод. Водород соприкасается  с поверхностью платинового электрода, оседает на нем, часть молекул Н2 разлагается на атомы водорода. Устанавливается равновесие между осажденными на платине атомами водорода и ионами водорода в растворе. На границе металл – раствор возникает разность потенциалов, которую электрохимики принимают равной нулю. Конечно, в действительности этот потенциал не равен нулю, но его значение нам не известно. Поэтому определение потенциала любого электрода с помощью стандартного водородного электрода имеет относительный характер; мы определяем его по отношению к условно принятому за нуль значению стандартного водородного потенциала.

 

Гальваническая  цепь для измерения электродного потенциала:

 

I – водородный  электрод, II – солевой мостик, III – измеряемый электрод.

Таким образом, поверхность платинового электрода фактически насыщена водородом, в результате чего в системе устанавливается равновесие:

которое характеризуется  определенным значением скачка потенциала на межфазной границе. Электродный  потенциал, отвечающий данным условиям, получил название стандартного водородного потенциала , а его численное значение условно принято равным нулю. Потенциал водородного электрода воспроизводится с очень высокой точностью.

Сочетая электрод, представляющий исследуемую окислительно-восстановительную систему, со стандартным водородным электродом, определяют электродный потенциал Е данной системы. Для того, чтобы можно было сравнивать окислительно-восстановительные свойства различных систем по их электродным потенциалам, необходимо, чтобы последние также были измерены при стандартных условиях. Таковыми обычно являются концентрация ионов, равная 1 моль/л, давление газообразных веществ 101,325 кПа и температура 298,15 К. Потенциалы, измеренные в таких условиях, носят название стандартных электродных потенциалов и обозначаются Ео. Они часто называются также окислительно-восстановительными или редокс-потенциалами, представляя собой разность между редокс-потенциалом системы при стандартных условиях и потенциалом стандартного водородного электрода.

Знак конкретного  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 части которых находятся атомы, ионы или молекулы, принимающие электроны (окисленная форма):

Ox + n× = Red.

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

Выделяя из этого  ряда окислительно-восстановительные  системы типа Меn+/Me и располагая их в порядке возрастания стандартных  электродных потенциалов, получают электрохимический 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.

Электрохимический ряд напряжений характеризует свойства металлов в водных растворах:

чем меньше электродный  потенциал металла, тем легче  он окисляется и труднее восстанавливается из своих ионов;

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

каждый металл способен вытеснять (восстанавливать) из растворов солей те металлы, которые имеют более высокий электродный потенциал.

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1. Воробьев В.К., Елисеев С.Ю., Врублевский А.В. Практические и самостоятельные работы по химии. – Мн.: УП «Донарит», 2005.

 

2. Ершов Ю.А. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. Учебник для вузов. М.: Высш. Шк. 2003.

 

3. Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://referat.ru/