Прыклады пытанняў і абмеркаванне стандартнага патэнцыялу электрода
Пендахулуан
Стандартны патэнцыял электрода — важнае паняцце ў электрахіміі, якое апісвае здольнасць электрода прыцягваць электроны. Гэта паняцце выкарыстоўваецца ў разліках электрахімічных элементаў і пры вызначэнні схільнасці да акісляльна-аднаўленчых рэакцый. Стандартны патэнцыял электрода (E°) вымяраецца ў стандартных умовах, а менавіта пры канцэнтрацыі 1 М, ціску 1 атм і тэмпературы 25°C (298 K). У гэтым артыкуле мы разгледзім некалькі прыкладаў праблем са стандартным патэнцыялам электрода і падрабязна іх абмяркуем.
Асноўная канцэпцыя стандартнага патэнцыялу электрода
Стандартны электродны патэнцыял, які пазначаецца як E°, апісвае тэндэнцыю хімічнага рэчыва да аднаўлення (прыняцця электронаў). Чым больш дадатнае значэнне E°, тым большая тэндэнцыя рэчыва да аднаўлення. І наадварот, чым больш адмоўнае значэнне E°, тым большая тэндэнцыя рэчыва да акіслення (страты электронаў).
Стандартная табліца патэнцыялаў электродаў змяшчае значэнні E° для розных акісляльна-аднаўленчых рэакцый, і гэтыя значэнні выкарыстоўваюцца для разліку электрахімічных патэнцыялаў ячэйкі.
Прыклад пытання 1
Пытанне:
Дадзеныя наступныя дзве паўрэакцыі і іх электродныя патэнцыялы:
– Ag⁺(aq) + e⁻ → Ag(s), E° = +0.80 В
– Cu²⁺(водн.) + 2e⁻ → Cu(s), E° = +0.34 В
Вызначце патэнцыял элемента (E°_cell) для гальванічнага элемента, які ўтварыўся ў выніку гэтых дзвюх паўрэакцый.
Абмеркаванне:
Каб вызначыць патэнцыял элемента, нам трэба вызначыць анод і катод. У гальванічным элементе той, у каго стандартны патэнцыял электрода больш станоўчы, дзейнічае як катод (месца аднаўлення), а той, у каго стандартны патэнцыял электрода больш адмоўны, — як анод (месца акіслення).
1. Вызначце анод і катод:
– Ag⁺ + e⁻ → Ag, E° = +0.80 В (больш дадатны, таму катод)
– Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, E° = +0.34 В (больш адмоўны, таму анодны)
2. Вызначце рэакцыі акіслення і аднаўлення:
– Катод (аднаўленне): Ag⁺ + e⁻ → Ag, E°_катод = +0.80 В
– Анод (акісленне): Cu → Cu²⁺ + 2e⁻, E°_анода = -0.34 В (змяніць кірунак рэакцыі і знак патэнцыялу на адваротныя)
3. Разлік E°_cell:
\[
E°_{ячэйка} = E°_{катод} – E°_{анод}
\]
\[
E°_{sel} = 0.80\, \text{V} – (-0.34\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 0.80\, \text{V} + 0.34\, \text{V} = 1.14\, \text{V}
\]
Такім чынам, патэнцыял ячэйкі (E°_cell) складае +1.14 В.
Прыклад пытання 2
Пытанне:
Улічваючы рэакцыю ніжэй з яе электродным патэнцыялам:
– Fe³⁺(aq) + e⁻ → Fe²⁺(aq), E° = +0.77 В
– Zn²⁺(aq) + 2e⁻ → Zn(s), E° = -0.76 В
Вызначце патэнцыял гальванічнага элемента (E°_cell), выкарыстоўваючы абедзве паўрэакцыі, і запішыце поўную рэакцыю ў элементе.
Абмеркаванне:
Як і раней, спачатку трэба вызначыць анод і катод.
1. Вызначце анод і катод:
– Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺, E° = +0.77 В (больш дадатны, таму катод)
– Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn, E° = -0.76 В (больш адмоўны, таму анод)
2. Вызначце рэакцыі акіслення і аднаўлення:
– Катод (аднаўленне): Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺, E°_катод = +0.77 В
– Анод (акісленне): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻, E°_анода = -0.76 В (змяніць кірунак рэакцыі і знак патэнцыялу)
3. Балансаванне электронаў:
Агульная рэакцыя павінна ўраўнаважваць колькасць электронаў:
\[
2(\text{Fe}^{3+} + e⁻ → \text{Fe}^{2+})
\]
\[
\text{Zn} → \text{Zn}^{2+} + 2e⁻
\]
Такім чынам, поўная клеткавая рэакцыя выглядае наступным чынам:
\[
2\text{Fe}^{3+} + \text{Zn} → 2\text{Fe}^{2+} + \text{Zn}^{2+}
\]
4. Разлік E°_cell:
\[
E°_{ячэйка} = E°_{катод} – E°_{анод}
\]
\[
E°_{sel} = 0.77\, \text{V} – (-0.76\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 0.77\, \text{V} + 0.76\, \text{V} = 1.53\, \text{V}
\]
Такім чынам, патэнцыял ячэйкі (E°_cell) складае +1.53 В.
Прыклад пытання 3
Пытанне:
Вызначце патэнцыял элемента і завяршыце рэакцыю ў гальванічным элементе, выкарыстоўваючы наступную рэакцыю:
– MnO₂(s) + 4H⁺(водн.) + 2e⁻ → Mn²⁺(водн.) + 2H₂O(л), E° = +1.23 В
– Cr³⁺(водны) + e⁻ → Cr²⁺(водны), E° = -0.50 В
Абмеркаванне:
1. Вызначце анод і катод:
– MnO₂ + 4H⁺ + 2e⁻ → Mn²⁺ + 2H₂O, E° = +1.23 В (больш станоўчы, таму катод)
– Cr³⁺ + e⁻ → Cr²⁺, E° = -0.50 В (больш адмоўны, таму анод)
2. Вызначце рэакцыі акіслення і аднаўлення:
– Катод (аднаўленне): MnO₂ + 4H⁺ + 2e⁻ → Mn²⁺ + 2H₂O, E°_катод = +1.23 В
– Анод (акісленне): Cr²⁺ → Cr³⁺ + e⁻, E°_анод = +0.50 В (змяніць кірунак рэакцыі і знак патэнцыялу)
3. Балансаванне электронаў:
Агульная рэакцыя павінна ўраўнаважваць колькасць электронаў:
\[
2(\text{Cr}^{3+} + e⁻ → \text{Cr}^{2+})
\]
\[
\text{MnO}_2 + 4\text{H}^+ + 2e⁻ → \text{Mn}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O}
\]
Такім чынам, поўная клеткавая рэакцыя выглядае наступным чынам:
\[
\text{MnO}_2 + 4\text{H}^+ + 2\text{Cr}^{3+} → \text{Mn}^{2+} + 2\text{Cr}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O}
\]
4. Разлік E°_cell:
\[
E°_{ячэйка} = E°_{катод} – E°_{анод}
\]
\[
E°_{sel} = 1.23\, \text{V} – (-0.50\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 1.23\, \text{V} + 0.50\, \text{V} = 1.73\, \text{V}
\]
Такім чынам, патэнцыял ячэйкі (E°_cell) складае +1.73 В.
Выснова
Разуменне стандартных электродных патэнцыялаў мае вырашальнае значэнне ў электрахіміі для вызначэння тэндэнцый акісляльна-аднаўленчых рэакцый і электрахімічных патэнцыялаў ячэйкі. Выкарыстоўваючы апісаныя вышэй крокі, мы можам лёгка разлічыць патэнцыял ячэйкі для дадзенай акісляльна-аднаўленчай рэакцыі. Стандартныя электродныя патэнцыялы выкарыстоўваюцца для вызначэння анода і катода ў гальванічным элементе, а таксама для вылічэння агульнага патэнцыялу ячэйкі, які паказвае эфектыўнасць і кірунак акісляльна-аднаўленчай рэакцыі.
