Standartinio elektrodo potencialo klausimų pavyzdžiai ir aptarimas
Pendahuluanas
Standartinis elektrodo potencialas yra svarbi elektrochemijos sąvoka, apibūdinanti elektrodo gebėjimą pritraukti elektronus. Ši sąvoka naudojama atliekant elektrocheminių elementų skaičiavimus ir nustatant redokso reakcijų polinkį. Standartinis elektrodo potencialas (E°) matuojamas standartinėmis sąlygomis, būtent esant 1 M koncentracijai, 1 atm slėgiui ir 25 °C (298 K) temperatūrai. Šiame straipsnyje aptarsime keletą standartinio elektrodo potencialo problemų pavyzdžių ir juos išsamiai aptarsime.
Standartinio elektrodo potencialo pagrindinė koncepcija
Standartinis elektrodo potencialas, žymimas E°, apibūdina cheminės medžiagos polinkį redukuotis (priimti elektronus). Kuo teigiamesnė E° vertė, tuo didesnė medžiagos polinkis redukuotis. Ir atvirkščiai, kuo neigiamesnė E° vertė, tuo didesnė medžiagos polinkis oksiduotis (prarasti elektronus).
Standartinėje elektrodų potencialų lentelėje pateikiamos E° vertės įvairioms redokso reakcijoms, ir šios vertės naudojamos elektrocheminių elementų potencialams apskaičiuoti.
1 pavyzdžio klausimas
Klausimas:
Pateikiamos šios dvi pusinės reakcijos ir jų elektrodų potencialai:
– Ag⁺(aq) + e⁻ → Ag(s), E° = +0.80 V
– Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s), E° = +0.34 V
Nustatykite galvaninio elemento, susidariusio šių dviejų pusreakcijų metu, potencialą (E°_cell).
Diskusija:
Norint nustatyti elemento potencialą, reikia identifikuoti anodą ir katodą. Galvaniniame elemente tas, kurio standartinis elektrodo potencialas yra teigiamesnis, veikia kaip katodas (redukcijos vieta), o tas, kurio potencialas yra neigiamesnis, – kaip anodas (oksidacijos vieta).
1. Anodo ir katodo identifikavimas:
– Ag⁺ + e⁻ → Ag, E° = +0.80 V (teigiamas krūvis, taigi katodas)
– Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, E° = +0.34 V (daugiau neigiamo, todėl anodas)
2. Nustatykite oksidacijos ir redukcijos reakcijas:
– Katodas (redukcija): Ag⁺ + e⁻ → Ag, E°_katodas = +0.80 V
– Anodas (oksidacija): Cu → Cu²⁺ + 2e⁻, E°_anodas = -0.34 V (atvirkštinė reakcijos kryptis ir potencialo ženklas)
3. E°_cell apskaičiavimas:
\[
E°_{cell} = E°_{katodas} – E°_{anodas}
\]
\[
E°_{sel} = 0.80\, \text{V} – (-0.34\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 0.80\, \text{V} + 0.34\, \text{V} = 1.14\, \text{V}
\]
Taigi, ląstelės potencialas (E°_cell) yra +1.14 V.
2 pavyzdžio klausimas
Klausimas:
Atsižvelgiant į žemiau pateiktą reakciją su jos elektrodų potencialu:
– Fe³⁺(aq) + e⁻ → Fe²⁺(aq), E° = +0.77 V
– Zn²⁺(aq) + 2e⁻ → Zn(s), E° = -0.76 V
Nustatykite galvaninio elemento potencialą (E°_cell), naudodami abi pusines reakcijas, ir užrašykite visą elemento reakciją.
Diskusija:
Kaip ir anksčiau, pirmiausia turime nustatyti anodą ir katodą.
1. Anodo ir katodo identifikavimas:
– Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺, E° = +0.77 V (teigiamas krūvis, taigi katodas)
– Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn, E° = -0.76 V (labiau neigiamas, taigi anodas)
2. Nustatykite oksidacijos ir redukcijos reakcijas:
– Katodas (redukcinis): Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺, E°_katodas = +0.77 V
– Anodas (oksidacija): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻, E°_anodas = -0.76 V (atvirkštinė reakcijos kryptis ir potencialo ženklas)
3. Elektronų balansavimas:
Bendra reakcija turi subalansuoti elektronų skaičių:
\[
2(\text{Fe}^{3+} + e⁻ → \text{Fe}^{2+})
\]
\[
∫\text{Zn} → ∫\text{Zn}^{2+} + 2e⁻
\]
Taigi, visa ląstelės reakcija yra:
\[
2\text{Fe}^{3+} + \text{Zn} → 2\text{Fe}^{2+} + \text{Zn}^{2+}
\]
4. E°_cell apskaičiavimas:
\[
E°_{cell} = E°_{katodas} – E°_{anodas}
\]
\[
E°_{sel} = 0.77\, \text{V} – (-0.76\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 0.77\, \text{V} + 0.76\, \text{V} = 1.53\, \text{V}
\]
Taigi, ląstelės potencialas (E°_cell) yra +1.53 V.
3 pavyzdžio klausimas
Klausimas:
Nurodykite galvaninio elemento potencialą ir pilną reakciją, naudodami šią reakciją:
– MnO₂(s) + 4H⁺(aq) + 2e⁻ → Mn²⁺(aq) + 2H₂O(l), E° = +1.23 V
– Cr³⁺(aq) + e⁻ → Cr²⁺(aq), E° = -0.50 V
Diskusija:
1. Anodo ir katodo identifikavimas:
– MnO₂ + 4H⁺ + 2e⁻ → Mn²⁺ + 2H₂O, E° = +1.23 V (teigiamesnis krūvis, taigi katodas)
– Cr³⁺ + e⁻ → Cr²⁺, E° = -0.50 V (neigiamesnis, todėl anodas)
2. Nustatykite oksidacijos ir redukcijos reakcijas:
– Katodas (redukcija): MnO₂ + 4H⁺ + 2e⁻ → Mn²⁺ + 2H₂O, E°_katodas = +1.23 V
– Anodas (oksidacija): Cr²⁺ → Cr³⁺ + e⁻, E°_anodas = +0.50 V (atvirkštinė reakcijos kryptis ir potencialo ženklas)
3. Elektronų balansavimas:
Bendra reakcija turi subalansuoti elektronų skaičių:
\[
2(\text{Cr}^{3+} + e⁻ → \text{Cr}^{2+})
\]
\[
∫\text{MnO}_2 + 4\text{H}^+ + 2e⁻ → ∫\text{Mn}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O}
\]
Taigi, visa ląstelės reakcija yra:
\[
∫\text{MnO}_2 + 4\text{H}^+ + 2\text{Cr}^{3+} → ∫\text{Mn}^{2+} + 2\text{Cr}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O}
\]
4. E°_cell apskaičiavimas:
\[
E°_{cell} = E°_{katodas} – E°_{anodas}
\]
\[
E°_{sel} = 1.23\, \text{V} – (-0.50\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 1.23\, \text{V} + 0.50\, \text{V} = 1.73\, \text{V}
\]
Taigi, ląstelės potencialas (E°_cell) yra +1.73 V.
Išvada
Standartinių elektrodų potencialų supratimas yra labai svarbus elektrochemijoje, norint nustatyti redokso reakcijos tendencijas ir elektrocheminių elementų potencialus. Atlikdami aukščiau aptartus veiksmus, galime lengvai apskaičiuoti tam tikros redokso reakcijos elemento potencialą. Standartiniai elektrodų potencialai naudojami galvaninio elemento anodui ir katodui nustatyti, taip pat bendram elemento potencialui, kuris rodo redokso reakcijos efektyvumą ir kryptį, apskaičiuoti.
