Пример за прашања за дискусија за потенцијалот на стандардната референтна електрода
Пендахулуан
Електрохемијата е гранка на хемијата што ја проучува врската помеѓу хемиските реакции и електричните феномени. Еден од фундаменталните концепти во електрохемијата е електродниот потенцијал. Електродниот потенцијал е мерка за тенденцијата на електродата да привлекува или ослободува електрони.
Во електрохемијата, најчесто користен стандард е стандардната водородна електрода (SHE). SHE е дефинирана како електрода со потенцијал од нула волти на сите температури. Служи како универзална референца за мерење и споредување на потенцијалите на други електроди. Целта на оваа статија е да обезбеди детално објаснување преку примери на проблеми во кои се дискутира потенцијалот на стандардната референтна електрода за да се поттикне подлабоко разбирање.
Електроден потенцијал и SHE
SHE служи како референтна точка со електроден потенцијал произволно поставен на 0 V. Равенката за реакцијата на водородната електрода е како што следува:
\[ 2H^+ (aq) + 2e^- \десно стрелка H_2 (g) \]
Во пракса, симулирањето на SHE услови е тешко да се создаде и почесто е да се користат други стандардни референтни електроди како што се заситената каломелна електрода (SCE) или сребро/сребро хлорид (Ag/AgCl).
Примерни прашања и дискусии
Прашање 1: Одредување на електродниот потенцијал на електрохемиска ќелија
Прашање:
Како пример за проблем, од нас се бара да го одредиме потенцијалот на ќелијата на реакцијата помеѓу Zn(s) и Cu^2+(aq). Познато е дека стандардниот електроден потенцијал за Zn^2+/Zn е -0.76 V, а за Cu^2+/Cu е +0.34 V. Колкав е потенцијалот на ќелијата користејќи го SHE како референца?
Јавабан:
Треба да го пресметаме потенцијалот на ќелијата \(E_{ќелија} \) користејќи ги електродните потенцијали. Вкупната реакција во ќелијата е:
\[ Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \десна стрелка Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \]
Електродниот потенцијал е запишан како:
\[ E_{ќелија} = E_{катода} – Е_{анода} \]
Каде што катодата е реакција на редукција, а анодата е реакција на оксидација. Врз основа на стандардниот потенцијал:
– Катоден стандарден потенцијал \( E^0_{катода} \) (Cu^2+/Cu) = +0.34 V
– Стандарден потенцијал на анодата \(E^0_{анода} \) (Zn^2+/Zn) = -0.76 V
Заменување на вредности:
\[ E_{sel} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E_{sel} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} \]
\[ E_{ќелија} = 1.10 \, \текст{V} \]
Значи, потенцијалот на ќелијата е 1.10 V.
Прашање 2: Користење на Нернстовата равенка во нестандардни услови
Прашање:
Пресметајте го потенцијалот на ќелијата (E) на 298 K за електрохемиската реакција помеѓу Zn(s) и Cu^2+(aq) ако концентрацијата на јони Cu^2+ е 0.01 M, а концентрацијата на јони Zn^2+ е 1.00 M.
Јавабан:
Нернстовата равенка ни овозможува начин да го пресметаме потенцијалот на ќелијата кога условите не се стандардни (нестандардни). Нернстовата равенка е:
\[ E = E^0 – \frac{RT}{nF} \ln Q \]
Ди мана,
– \( E^0 \) е стандардниот потенцијал на ќелијата
– \( R \) е гасната константа (8.314 J/mol·K)
– \(T \) е температурата во Келвини (298 K)
– \(n \) е бројот на молови електрони пренесени во еквивалентната реакција (2 молови електрони за Zn/Cu)
– \( F \) е Фарадеева константа (96485 C/mol)
– \(Q \) е реакцискиот количник:
\[ Q = \frac{[производи]}{[реактанти]} = \frac{[Zn^{2+}]}{[Cu^{2+}]} \]
Заменете ги вредностите во равенката на Нернст:
Стандардниот потенцијал (E^0) од претходниот проблем е 1.10 V.
\[ E = 1.10 \, \text{V} – \frac{8.314 \, \text{J/mol·K} \times 298 \, \text{K}}{2 \times 96485 \, \text{C/mol}} \ln \left(\frac{1.00}{0.01}\right) \]
Прво, пресметајте го температурниот член и реакцискиот количник:
\[ \frac{8.314 \times 298}{2 \times 96485} = \frac{2476.652}{192970} \approx 0.0128 \, \text{V} \]
Не заборавајте да го конвертирате за да одговара на J во волти:
\[ \ln (100) = 4.605 \]
Значи:
\[ E = 1.10 \, \text{V} – 0.0128 \ пати 4.605 \]
\[ E = 1.10 \, \text{V} - 0.0589584 \]
\[ E = 1.041 \, \text{V} \]
Значи, потенцијалот на ќелијата под нестандардни услови е 1.041 V.
Заклучок
Електрохемијата е витална област со бројни примени во индустријата и научните истражувања. Разбирањето на основните концепти како што е електродниот потенцијал и употребата на Нернстовата равенка ни овозможува да ги пресметаме потенцијалите на ќелиите под различни услови. Во овој пример, видовме како да се одреди потенцијалот на ќелијата со користење на стандардна референтна електрода и како фактори како што е концентрацијата влијаат на потенцијалот на ќелијата.
Оваа дискусија ја покажува важноста на темелното разбирање на електрохемиските принципи за широк спектар на апликации, од биосензори до батерии. Исто така, обезбедува солидна основа за секој што е заинтересиран за истражување и примена на електрохемиската технологија.
