Pavyzdiniai klausimai, kuriuose aptariamas standartinių elektrodų potencialų duomenų naudojimas
Standartinis elektrodo potencialas (E°) vaidina labai svarbų vaidmenį chemijoje, ypač suprantant redokso ir elektrochemines reakcijas. Jis suteikia būdą numatyti redokso reakcijų kryptį ir palyginti oksidatorių bei reduktorių stiprumą. Šiame straipsnyje bus pateikti keli standartinio elektrodo potencialo duomenų naudojimo pavyzdžiai, iliustruojantys jų taikymą realiose situacijose.
Įvadas į standartinius elektrodų potencialus
Standartinis elektrodo potencialas matuoja elemento ar junginio polinkį įgyti arba prarasti elektronus standartinėmis sąlygomis (1 M, 1 atm ir 25 °C). Standartinis elektrodo potencialas išreiškiamas voltais (V) ir dažnai lyginamas su standartiniu vandenilio elektrodo potencialu (SHE), kuris imamas kaip 0 V.
1 klausimo pavyzdys: Spontaniškų reakcijų nustatymas
Klausimas:
Apskaičiuokite, ar ši reakcija įvyks savaime:
\[ \text{Zn}^{2+} + \text{Cu} \rightrodyklė \text{Zn} + \text{Cu}^{2+} \]
Reikalingi standartiniai elektrodų potencialai yra:
– \(\text{Zn}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Zn} \) \( E° = -0.76 \, \text{V} \)
– \(\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \) \( E° = +0.34 \, \text{V} \)
Diskusija:
1. Apibrėžkite pusląsčių reakcijas:
Redukcinė pusinės ląstelės reakcija:
– Oksidacijos pusreakcija: \[\text{Zn}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Zn} \, \text{(Redukcija, E° = -0.76 V)} \]
– Redukcijos pusreakcija: \[\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \, \text{(Redukcija, E° = +0.34 V)} \]
2. Reakcijos identifikavimas:
Atvirkšti mažesnio potencialo reakciją, kad ji taptų oksidacija:
– \[\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^{-} \, \text{(Oksidacija, E° = +0.76 V)} \]
Likusios reakcijos:
– \[\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \, \text{(Sumažinimas, E° = +0.34 V)} \]
3. Apskaičiuokite bendrą E° (ląstelės potencialą):
– \[ E°_{\text{cell}} = E°_{\text{reduction}} + E°_{\text{oksidation}} = +0.34 \, \text{V} + (+0.76 \, \text{V}) = +1.10 \, \text{V} \]
Kadangi ląstelės potencialas (E°_{\text{cell}}) yra teigiamas, ši reakcija yra savaiminė.
2 pavyzdžio klausimas: Pusiausvyros potencialo nustatymas
Klausimas:
Apskaičiuokite ląstelės potencialą šiai reakcijai standartinėje temperatūroje:
\[ \text{Fe}^{2+} + \text{Ag} \rightarrow \text{Fe} + \text{Ag}^{+} \]
Standartinis elektrodo potencialas:
– \(\text{Fe}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Fe} \) \( E° = -0.44 \, \text{V} \)
– \(\text{Ag}^{+} + e^{-} \rightarrow \text{Ag} \) \( E° = +0.80 \, \text{V} \)
Diskusija:
1. Apibrėžkite pusląsčių reakcijas:
Redukcinė pusinės ląstelės reakcija:
– \[\text{Fe}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Fe} \, \text{(Reduktija, E° = -0.44 V)} \]
– [\text{Ag}^{+} + e^{-} \rightarrow \text{Ag} \, \text{(Reduktija, E° = +0.80 V)} \]
2. Nustatykite pusreakcijas:
Atvirkštinė reakcija, kurios neigiama reikšmė yra mažesnė (teigiamesnė):
– \[\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2e^{-} \, \text{(Oksidacija, E° = +0.44 V)} \]
Likusios reakcijos:
– [\text{Ag}^{+} + e^{-} \rightarrow \text{Ag} \, \text{(Reduktija, E° = +0.80 V)} \]
3. Apskaičiuokite bendrą E° (ląstelės potencialą):
– \[ E°_{\text{cell}} = E°_{\text{reduction}} + E°_{\text{oksidation}} = +0.80 \, \text{V} + (+0.44 \, \text{V}) = +1.24 \, \text{V} \]
Teigiamas ląstelės potencialas rodo, kad ši reakcija standartinėmis sąlygomis vyksta savaime.
3 pavyzdys: Gibso laisvosios energijos apskaičiavimas
Klausimas:
Nustatykite Gibso laisvosios energijos (ΔG) pokytį šioje reakcijoje:
\[ \text{Al} + \text{Cu}^{2+} \rightrodyklė \text{Al}^{3+} + \text{Cu} \]
Atsižvelgiant į standartinį elektrodo potencialą:
– (\text{Al}^{3+} + 3e^{-} \rightarrow \text{Al} \) \( E° = -1.66 \, \text{V} \)
– \(\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \) \( E° = +0.34 \, \text{V} \)
Diskusija:
1. Apibrėžkite pusląsčių reakcijas:
Redukcinė pusinės ląstelės reakcija:
– \[\text{Al}^{3+} + 3e^{-} \rightarrow \text{Al} \, \text{(Reduktija, E° = -1.66 V)} \]
– \[\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \, \text{(Sumažinimas, E° = +0.34 V)} \]
2. Reakcijos identifikavimas:
Atvirkšti mažesnio potencialo reakciją, kad ji taptų oksidacija:
– \[\text{Al} \rightarrow \text{Al}^{3+} + 3e^{-} \, \text{(Oksidacija, E° = +1.66 V)} \]
Likusios reakcijos:
– \[\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \, \text{(Sumažinimas, E° = +0.34 V)} \]
3. Elektronų balansas:
Sulyginkite elektronų skaičių reakcijai:
– 2 \(\text{Al} \rightarrow 2\text{Al}^{3+} + 6e^{-} \) \[\text{(Oksidacija, E° = +1.66 V)} \]
– 3 \(\text{Cu}^{2+} + 6e^{-} \rightarrow 3\text{Cu} \) \[\text{(Sumažinimas, E° = +0.34 V)} \]
4. Apskaičiuokite bendrą E° (ląstelės potencialą):
– [E°_{\text{cell}} = (+0.34 \, \text{V} \x3) + (+1.66 \, \text{V} \x2) \]
Klaida čia: Vidurkis:
– [E°_{\text{cell}} = +0.34 \, \text{V} + +1.66 \, \text{V} = +2.00 \, \text{V}]
5. Apskaičiuokite ΔG:
Formulė: \(\Delta G = -nFE_{\text{cell}}\)
– \[n = 6 \, \text{elektronai} \]
– [F = 96485, C/mol]
– [ΔG = -6 × 96485, C/mol × +2.00, V]
– \[ = -1157820 \, \tekstas{J/mol} \]
– \[ = -1157.82 \, \tekstas{kJ/mol}\]
Taigi, neigiamas ΔG rodo, kad ši reakcija yra savaiminė.
Išvada
Standartinių elektrodų potencialų duomenys suteikia praktinį būdą numatyti, kuria kryptimi vyks redokso reakcija, kokia jos tikimybė ir koks yra jos ryšys su Gibso laisvosios energijos pokyčiu. Aukščiau pateiktas uždavinio pavyzdys iliustruoja, kaip šie duomenys gali būti naudojami redokso reakcijos spontaniškumui nustatyti ir susijusiems energijos skaičiavimams atlikti. Studentams ar visiems, studijuojantiems chemiją, standartinių elektrodų potencialų duomenų ir jų taikymo supratimas yra esminis pagrindas norint suprasti sudėtingesnes elektrochemines reakcijas.
