Příkladové otázky a diskuse o standardním elektrodovém potenciálu
Úvod
Standardní elektrodový potenciál je důležitý koncept v elektrochemii, který popisuje schopnost elektrody přitahovat elektrony. Tento koncept se používá ve výpočtech elektrochemických článků a při určování sklonu k redoxním reakcím. Standardní elektrodový potenciál (E°) se měří za standardních podmínek, konkrétně při koncentraci 1 M, tlaku 1 atm a teplotě 25 °C (298 K). V tomto článku probereme několik příkladů problémů se standardním elektrodovým potenciálem a budeme je podrobněji diskutovat.
Základní koncept standardního elektrodového potenciálu
Standardní elektrodový potenciál, označovaný jako E°, popisuje tendenci chemické látky k redukci (přijímání elektronů). Čím kladnější je hodnota E°, tím větší je sklon dané látky k redukci. Naopak, čím zápornější je hodnota E°, tím větší je sklon dané látky k oxidaci (ztrátě elektronů).
Standardní tabulka elektrodových potenciálů poskytuje hodnoty E° pro různé redoxní reakce a tyto hodnoty se používají k výpočtu elektrochemických potenciálů článku.
Příklad otázky 1
Otázka:
Vzhledem k následujícím dvěma poloreakcím a jejich elektrodovým potenciálům:
– Ag⁺(aq) + e⁻ → Ag(s), E° = +0.80 V
– Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s), E° = +0.34 V
Určete článkový potenciál (E°_cell) pro galvanický článek vytvořený těmito dvěma poloreakcemi.
Diskuse:
Pro určení potenciálu článku musíme identifikovat anodu a katodu. V galvanickém článku funguje anoda s kladnějším standardním elektrodovým potenciálem jako katoda (místo redukce) a negativnější jako anoda (místo oxidace).
1. Určete anodu a katodu:
– Ag⁺ + e⁻ → Ag, E° = +0.80 V (pozitivnější, takže katoda)
– Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, E° = +0.34 V (zápornější, takže anoda)
2. Určete oxidační a redukční reakce:
– Katoda (redukce): Ag⁺ + e⁻ → Ag, E°_katoda = +0.80 V
– Anoda (oxidace): Cu → Cu²⁺ + 2e⁻, E°_anoda = -0.34 V (obrácený směr reakce a znaménko potenciálu)
3. Výpočet E°_cell:
\[
E°_{cell} = E°_{katoda} – E°_{anoda}
\]
\[
E°_{sel} = 0.80\, \text{V} – (-0.34\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 0.80\, \text{V} + 0.34\, \text{V} = 1.14\, \text{V}
\]
Potenciál článku (E°_cell) je tedy +1.14 V.
Příklad otázky 2
Otázka:
Vzhledem k níže uvedené reakci s jejím elektrodovým potenciálem:
– Fe³⁺(aq) + e⁻ → Fe²⁺(aq), E° = +0.77 V
– Zn²⁺(aq) + 2e⁻ → Zn(s), E° = -0.76 V
Určete článkový potenciál (E°_cell) pro galvanický článek s využitím obou poloreakcí a zapište kompletní článkovou reakci.
Diskuse:
Stejně jako dříve musíme nejprve identifikovat anodu a katodu.
1. Určete anodu a katodu:
– Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺, E° = +0.77 V (pozitivnější, takže katoda)
– Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn, E° = -0.76 V (zápornější, takže anoda)
2. Určete oxidační a redukční reakce:
– Katoda (redukce): Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺, E°_katoda = +0.77 V
– Anoda (oxidace): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻, E°_anoda = -0.76 V (obrácený směr reakce a znaménko potenciálu)
3. Vyvažování elektronů:
Celková reakce musí vyvážit počet elektronů:
\[
2(\text{Fe}^{3+} + e⁻ → \text{Fe}^{2+})
\]
\[
\text{Zn} → \text{Zn}^{2+} + 2e⁻
\]
Takže kompletní buněčná reakce je:
\[
2\text{Fe}^{3+} + \text{Zn} → 2\text{Fe}^{2+} + \text{Zn}^{2+}
\]
4. Výpočet E°_cell:
\[
E°_{cell} = E°_{katoda} – E°_{anoda}
\]
\[
E°_{sel} = 0.77\, \text{V} – (-0.76\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 0.77\, \text{V} + 0.76\, \text{V} = 1.53\, \text{V}
\]
Potenciál článku (E°_cell) je tedy +1.53 V.
Příklad otázky 3
Otázka:
Uveďte potenciál článku a dokončete reakci galvanického článku pomocí následující reakce:
– MnO₂(s) + 4H⁺(aq) + 2e⁻ → Mn2⁺(aq) + 2H₂O(l), E° = +1.23 V
– Cr3⁺(aq) + e⁻ → Cr²⁺(aq), E° = -0.50 V
Diskuse:
1. Určete anodu a katodu:
– MnO₂ + 4H⁺ + 2e⁻ → Mn²⁺ + 2H₂O, E° = +1.23 V (pozitivnější, takže katoda)
– Cr³⁺ + e⁻ → Cr²⁺, E° = -0.50 V (zápornější, takže anoda)
2. Určete oxidační a redukční reakce:
– Katoda (redukce): MnO₂ + 4H⁺ + 2e⁻ → Mn2⁺ + 2H₂O, E°_katoda = +1.23 V
– Anoda (oxidace): Cr²⁺ → Cr³⁺ + e⁻, E°_anoda = +0.50 V (obrácený směr reakce a znaménko potenciálu)
3. Vyvažování elektronů:
Celková reakce musí vyvážit počet elektronů:
\[
2(\text{Cr}^{3+} + e⁻ → \text{Cr}^{2+})
\]
\[
\text{MnO}_2 + 4\text{H}^+ + 2e⁻ → \text{Mn}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O}
\]
Takže kompletní buněčná reakce je:
\[
\text{MnO}_2 + 4\text{H}^+ + 2\text{Cr}^{3+} → \text{Mn}^{2+} + 2\text{Cr}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O}
\]
4. Výpočet E°_cell:
\[
E°_{cell} = E°_{katoda} – E°_{anoda}
\]
\[
E°_{sel} = 1.23\, \text{V} – (-0.50\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 1.23\, \text{V} + 0.50\, \text{V} = 1.73\, \text{V}
\]
Potenciál článku (E°_cell) je tedy +1.73 V.
Závěr
Pochopení standardních elektrodových potenciálů je v elektrochemii klíčové pro určení trendů redoxních reakcí a elektrochemických potenciálů článku. Pomocí výše uvedených kroků můžeme snadno vypočítat potenciál článku dané redoxní reakce. Standardní elektrodové potenciály se používají k určení anody a katody v galvanickém článku a také k výpočtu celkového potenciálu článku, který udává účinnost a směr redoxní reakce.
