Näide aruteluküsimustest standardse võrdluselektroodi potentsiaali kohta
Pendahuluan
Elektrokeemia on keemia haru, mis uurib keemiliste reaktsioonide ja elektriliste nähtuste vahelisi seoseid. Üks elektrokeemia põhimõisteid on elektroodi potentsiaal. Elektroodi potentsiaal on elektroodi kalduvuse mõõt elektrone ligi tõmmata või vabastada.
Elektrokeemias on levinud standard vesinikelektrood (SHE). SHE on defineeritud kui elektrood, mille potentsiaal on kõigil temperatuuridel nullvolt. See toimib universaalse etalonina teiste elektroodide potentsiaalide mõõtmiseks ja võrdlemiseks. Selle artikli eesmärk on anda üksikasjalik selgitus näidete abil, milles käsitletakse standardse etalonelektroodi potentsiaali, et edendada sügavamat arusaamist.
Elektroodipotentsiaal ja SHE
SHE toimib võrdluspunktina, mille elektroodi potentsiaal on suvaliselt seatud 0 V-le. Vesiniku elektroodi reaktsiooni võrrand on järgmine:
\[ 2H^+ (aq) + 2e^- \paremnool H_2 (g) \]
Praktikas on SHE tingimuste simuleerimine keeruline ja tavalisem on kasutada teisi standardseid võrdluselektroode, näiteks küllastunud kalomelelektroodi (SCE) või hõbe/hõbekloriidi (Ag/AgCl).
Näidisküsimused ja arutelud
Küsimus 1: Elektrokeemilise elemendi elektroodipotentsiaali määramine
Küsimus:
Näidisülesandena palutakse meil määrata Zn(s) ja Cu^2+(aq) vahelise reaktsiooni rakupotentsiaal. On teada, et Zn^2+/Zn standardelektroodipotentsiaal on -0.76 V ja Cu^2+/Cu standardpotentsiaal +0.34 V. Milline on rakupotentsiaal, kasutades standardset elektrilist soojusvahet (SHE) võrdlusalusena?
Vastus:
Me peame arvutama raku potentsiaali \( E_{cell} \) kasutades elektroodipotentsiaale. Rakus toimuv kogureaktsioon on:
\[ Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \]
Elektroodipotentsiaal kirjutatakse järgmiselt:
\[ E_{cell} = E_{katood} – E_{anood} \]
Kus katood on redutseerimisreaktsioon ja anood on oksüdeerimisreaktsioon. Standardpotentsiaali põhjal:
– Katoodi standardpotentsiaal \( E^0_{katood} \) (Cu^2+/Cu) = +0.34 V
– Anoodi standardpotentsiaal \(E^0_{anode} \) (Zn^2+/Zn) = -0.76 V
Väärtuste asendamine:
\[E_{sel} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[E_{sel} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} \]
\[ E_{lahter} = 1.10 \, \tekst{V} \]
Seega on elemendi potentsiaal 1.10 V.
Küsimus 2: Nernsti võrrandi kasutamine mittestandardsetes tingimustes
Küsimus:
Arvuta Zn(s) ja Cu^2+(aq) vahelise elektrokeemilise reaktsiooni elemendi potentsiaal (E) temperatuuril 298 K, kui Cu^2+ ioonide kontsentratsioon on 0.01 M ja Zn^2+ ioonide kontsentratsioon on 1.00 M.
Vastus:
Nernsti võrrand annab meile võimaluse arvutada raku potentsiaali mittestandardsetes (mittestandardsetes) tingimustes. Nernsti võrrand on:
\[E = E^0 – \frac{RT}{nF} \ln Q \]
Kus
– \(E^0 \) on standardne rakupotentsiaal
– \(R \) on gaasikonstant (8.314 J/mol·K)
– \(T \) on temperatuur kelvinites (298 K)
– \(n \) on ekvivalentses reaktsioonis üle kantud elektronmoolide arv (2 mooli elektrone Zn/Cu puhul)
– \(F \) on Faraday konstant (96485 C/mol)
– \(Q \) on reaktsioonijagatis:
\[ Q = \frac{[produktid]}{[reagendid]} = \frac{[Zn^{2+}]}{[Cu^{2+}]} \]
Asendage väärtused Nernsti võrrandisse:
Eelmises ülesandes kasutatud standardpotentsiaal \(E^0 \) on 1.10 V.
[E = 1.10 \, \text{V} – \frac{8.314 \, \text{J/mol·K} × 298 \, \text{K}}{2 \times 96485 \, \text{C/mol}} \ln \left(\frac{1.00}{0.01}\right) \]
Esmalt arvutage temperatuuritermin ja reaktsioonijagatis:
\[ \frac{8.314 × 298}{2 × 96485} = \frac{2476.652}{192970} \umbes 0.0128 \, \text{V} \]
Ära unusta seda teisendada, et see vastaks džaulidele voltidele:
\[ \ln(100) = 4.605 \]
Seega:
\[E = 1.10 \, \text{V} – 0.0128 \korda 4.605 \]
\[ E = 1.10 \, \tekst{V} – 0.0589584 \]
\[E = 1.041 \, \text{V} \]
Seega on raku potentsiaal mittestandardsetes tingimustes 1.041 V.
Järeldus
Elektrokeemia on oluline valdkond, millel on arvukalt rakendusi tööstuses ja teadusuuringutes. Selliste põhimõistete nagu elektroodipotentsiaal ja Nernsti võrrandi kasutamine mõistmine võimaldab meil arvutada rakupotentsiaale erinevates tingimustes. Selles näites oleme näinud, kuidas määrata rakupotentsiaali standardse võrdluselektroodi abil ja kuidas sellised tegurid nagu kontsentratsioon mõjutavad rakupotentsiaali.
See arutelu näitab elektrokeemiliste põhimõtete põhjaliku mõistmise olulisust laias valikus rakendustes, alates biosensoritest kuni akudeni. See annab ka kindla aluse kõigile, kes on huvitatud elektrokeemilise tehnoloogia uuringutest ja rakendustest.
