Прыклад пытанняў для абмеркавання па патэнцыяле стандартнага электрода эталона
Пендахулуан
Электрахімія — гэта раздзел хіміі, які вывучае сувязь паміж хімічнымі рэакцыямі і электрычнымі з'явамі. Адным з фундаментальных паняццяў электрахіміі з'яўляецца электродны патэнцыял. Электродны патэнцыял — гэта мера схільнасці электрода прыцягваць або вызваляць электроны.
У электрахіміі часта выкарыстоўваецца стандартны вадародны электрод (СВАЭ). СВАЭ вызначаецца як электрод з патэнцыялам нуль вольт пры ўсіх тэмпературах. Ён служыць універсальным эталонам для вымярэння і параўнання патэнцыялаў іншых электродаў. Гэты артыкул мае на мэце даць падрабязнае тлумачэнне на прыкладах задач, якія абмяркоўваюць патэнцыял стандартнага электрода апоры, каб спрыяць больш глыбокаму разуменню.
Электродны патэнцыял і SHE
SHE служыць кропкай адліку з патэнцыялам электрода, адвольна ўсталяваным на 0 В. Раўнанне рэакцыі вадароднага электрода мае наступны выгляд:
\[ 2H^+ (aq) + 2e^- \rightarrow H_2 (g) \]
На практыцы мадэляванне ўмоў SHE стварыць складана, і часцей за ўсё выкарыстоўваюцца іншыя стандартныя электроды эталона, такія як насычаны каламельны электрод (SCE) або срэбра/хларысрэбраны электрод (Ag/AgCl).
Прыклады пытанняў і абмеркавання
Пытанне 1: Вызначэнне патэнцыялу электрода электрахімічнай ячэйкі
Пытанне:
У якасці прыкладу задачы нам трэба вызначыць патэнцыял ячэйкі рэакцыі паміж Zn(s) і Cu^2+(aq). Вядома, што стандартны патэнцыял электрода для Zn^2+/Zn складае -0.76 В, а для Cu^2+/Cu — +0.34 В. Які патэнцыял ячэйкі пры выкарыстанні тэрмаэлектрычнага стыху (ТЭС) у якасці эталона?
адказ:
Нам трэба вылічыць патэнцыял ячэйкі (E_{cell}), выкарыстоўваючы патэнцыялы электродаў. Поўная рэакцыя ў ячэйцы будзе:
\[ Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \]
Электродны патэнцыял запісваецца як:
\[ E_{ячэйка} = E_{катод} – E_{анод} \]
Дзе катод — гэта рэакцыя аднаўлення, а анод — рэакцыя акіслення. Зыходзячы са стандартнага патэнцыялу:
– Стандартны патэнцыял катода \( E^0_{катод} \) (Cu^2+/Cu) = +0.34 В
– Стандартны патэнцыял анода (E^0_{анода}) (Zn^2+/Zn) = -0.76 В
Падстаўляем значэнні:
\[ E_{sel} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E_{sel} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} \]
\[ E_{cell} = 1.10 \, \text{V} \]
Такім чынам, патэнцыял ячэйкі складае 1.10 В.
Пытанне 2: Выкарыстанне ўраўнення Нернста ў нестандартных умовах
Пытанне:
Разлічыце патэнцыял ячэйкі (E) пры 298 K для электрахімічнай рэакцыі паміж Zn(s) і Cu^2+(aq), калі канцэнтрацыя іонаў Cu^2+ складае 0.01 М, а канцэнтрацыя іонаў Zn^2+ — 1.00 М.
адказ:
Раўнанне Нернста дае нам спосаб вылічыць патэнцыял клеткі, калі ўмовы не з'яўляюцца стандартнымі (нестандартнымі). Раўнанне Нернста мае выгляд:
\[ E = E^0 – \frac{RT}{nF} \lnQ \]
Ды мана,
– \( E^0 \) — стандартны патэнцыял ячэйкі
– \(R \) — газавая пастаянная (8.314 Дж/моль·К)
– \(T \) — тэмпература ў градусах Кельвіна (298 К)
– \(n \) — колькасць моляў электронаў, перанесеных у эквівалентнай рэакцыі (2 моляў электронаў для Zn/Cu)
– \(F \) — пастаянная Фарадэя (96485 Кл/моль)
– \( Q \) — гэта каэфіцыент рэакцыі:
\[ Q = \frac{[прадукты]}{[рэагенты]} = \frac{[Zn^{2+}]}{[Cu^{2+}]} \]
Падстаўце значэнні ў раўнанне Нернста:
Стандартны патэнцыял \(E^0 \) з папярэдняй задачы роўны 1.10 В.
\[ E = 1.10 \, \text{V} – \frac{8.314 \, \text{Дж/моль·К} \times 298 \, \text{K}}{2 \times 96485 \, \text{C/моль}} \ln \left(\frac{1.00}{0.01}\right) \]
Спачатку вылічыце тэмпературны член і каэфіцыент рэакцыі:
\[ \frac{8.314 \times 298}{2 \times 96485} = \frac{2476.652}{192970} \прыблізна 0.0128 \, \text{V} \]
Не забудзьцеся пераўтварыць яго ў адпаведнасці з Дж у вольты:
\[ \ln (100) = 4.605 \]
Такім чынам:
\[ E = 1.10 \, \text{V} – 0.0128 \times 4.605 \]
\[ E = 1.10 \, \text{V} – 0.0589584 \]
\[ E = 1.041 \, \text{V} \]
Такім чынам, патэнцыял ячэйкі ў нестандартных умовах складае 1.041 В.
Выснова
Электрахімія — жыццёва важная галіна з шматлікімі прымяненнямі ў прамысловасці і навуковых даследаваннях. Разуменне асноўных паняццяў, такіх як патэнцыял электрода, і выкарыстанне ўраўнення Нернста дазваляе нам разлічваць патэнцыялы клетак у розных умовах. У гэтым прыкладзе мы ўбачылі, як вызначыць патэнцыял клеткі з дапамогай стандартнага электрода эталона і як такія фактары, як канцэнтрацыя, уплываюць на патэнцыял клеткі.
Гэта абмеркаванне дэманструе важнасць глыбокага разумення электрахімічных прынцыпаў для шырокага спектру прымянення, ад біясенсараў да батарэй. Яно таксама забяспечвае трывалую аснову для ўсіх, хто цікавіцца даследаваннямі і прымяненнем электрахімічных тэхналогій.
