Príklady otázok a diskusia o štandardnom elektródovom potenciáli
Pendahuluan
Štandardný elektródový potenciál je dôležitý koncept v elektrochémii, ktorý opisuje schopnosť elektródy priťahovať elektróny. Tento koncept sa používa pri výpočtoch elektrochemických článkov a pri určovaní sklonu k redoxným reakciám. Štandardný elektródový potenciál (E°) sa meria za štandardných podmienok, a to pri koncentrácii 1 M, tlaku 1 atm a teplote 25 °C (298 K). V tomto článku si rozoberieme niekoľko príkladov problémov so štandardným elektródovým potenciálom a budeme ich podrobne diskutovať.
Základný koncept štandardného elektródového potenciálu
Štandardný elektródový potenciál, označovaný ako E°, opisuje tendenciu chemickej látky redukovať sa (prijímať elektróny). Čím kladnejšia je hodnota E°, tým väčšia je tendencia látky redukovať sa. Naopak, čím zápornejšia je hodnota E°, tým väčšia je tendencia látky oxidovať sa (stratiť elektróny).
Štandardná tabuľka elektródových potenciálov poskytuje hodnoty E° pre rôzne redoxné reakcie a tieto hodnoty sa používajú na výpočet elektrochemických potenciálov článku.
Príklad otázky 1
Otázka:
Vzhľadom na nasledujúce dve polreakcie a ich elektródové potenciály:
– Ag⁺(aq) + e⁻ → Ag(s), E° = +0.80 V
– Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s), E° = +0.34 V
Určte článkový potenciál (E°_cell) pre galvanický článok vytvorený týmito dvoma polreakciami.
Diskusia:
Na určenie potenciálu článku musíme identifikovať anódu a katódu. V galvanickom článku slúži katóda s kladnejším štandardným elektródovým potenciálom ako katóda (miesto redukcie) a katóda s negatívnejším ako anóda (miesto oxidácie).
1. Identifikujte anódu a katódu:
– Ag⁺ + e⁻ → Ag, E° = +0.80 V (pozitívnejší, teda katóda)
– Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, E° = +0.34 V (viac záporné, takže anóda)
2. Určte oxidačné a redukčné reakcie:
– Katóda (redukcia): Ag⁺ + e⁻ → Ag, E°_katóda = +0.80 V
– Anóda (oxidácia): Cu → Cu²⁺ + 2e⁻, E°_anóda = -0.34 V (zámena smeru reakcie a znamienka potenciálu)
3. Výpočet E°_cell:
\[
E°_{bunka} = E°_{katóda} – E°_{anóda}
\]
\[
E°_{sel} = 0.80\, \text{V} – (-0.34\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 0.80\, \text{V} + 0.34\, \text{V} = 1.14\, \text{V}
\]
Takže potenciál bunky (E°_cell) je +1.14 V.
Príklad otázky 2
Otázka:
Vzhľadom na nasledujúcu reakciu s jej elektródovým potenciálom:
– Fe³⁺(aq) + e⁻ → Fe²⁺(aq), E° = +0.77 V
– Zn²⁺(aq) + 2e⁻ → Zn(s), E° = -0.76 V
Určte potenciál článku (E°_cell) pre galvanický článok pomocou oboch polreakcií a napíšte celú reakciu článku.
Diskusia:
Ako predtým, musíme najprv identifikovať anódu a katódu.
1. Identifikujte anódu a katódu:
– Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺, E° = +0.77 V (pozitívnejší, teda katóda)
– Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn, E° = -0.76 V (negatívnejší, teda anódový)
2. Určte oxidačné a redukčné reakcie:
– Katóda (redukcia): Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺, E°_katóda = +0.77 V
– Anóda (oxidácia): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻, E°_anóda = -0.76 V (zámena smeru reakcie a znamienka potenciálu)
3. Vyvažovanie elektrónov:
Celková reakcia musí vyvážiť počet elektrónov:
\[
2(\text{Fe}^{3+} + e⁻ → \text{Fe}^{2+})
\]
\[
\text{Zn} → \text{Zn}^{2+} + 2e⁻
\]
Takže kompletná bunková reakcia je:
\[
2\text{Fe}^{3+} + \text{Zn} → 2\text{Fe}^{2+} + \text{Zn}^{2+}
\]
4. Výpočet E°_cell:
\[
E°_{bunka} = E°_{katóda} – E°_{anóda}
\]
\[
E°_{sel} = 0.77\, \text{V} – (-0.76\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 0.77\, \text{V} + 0.76\, \text{V} = 1.53\, \text{V}
\]
Takže potenciál bunky (E°_cell) je +1.53 V.
Príklad otázky 3
Otázka:
Uveďte článkový potenciál a dokončite článkovú reakciu pre galvanický článok pomocou nasledujúcej reakcie:
– MnO₂(s) + 4H⁺(aq) + 2e⁻ → Mn2⁺(aq) + 2H20(l), E° = +1.23 V
– Cr³⁺(aq) + e⁻ → Cr²⁺(aq), E° = -0.50 V
Diskusia:
1. Identifikujte anódu a katódu:
– MnO₂ + 4H⁺ + 2e⁻ → Mn²⁺ + 2H₂O, E° = +1.23 V (pozitívnejší, teda katóda)
– Cr³⁺ + e⁻ → Cr²⁺, E° = -0.50 V (negatívnejší, teda anódový)
2. Určte oxidačné a redukčné reakcie:
– Katóda (redukcia): MnO₂ + 4H⁺ + 2e⁻ → Mn2⁺ + 2H₂O, E°_katóda = +1.23 V
– Anóda (oxidácia): Cr²⁺ → Cr³⁺ + e⁻, E°_anóda = +0.50 V (zámena smeru reakcie a znamienka potenciálu)
3. Vyvažovanie elektrónov:
Celková reakcia musí vyvážiť počet elektrónov:
\[
2(\text{Cr}^{3+} + e⁻ → \text{Cr}^{2+})
\]
\[
\text{MnO}_2 + 4\text{H}^+ + 2e⁻ → \text{Mn}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O}
\]
Takže kompletná bunková reakcia 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:
\[
E°_{bunka} = E°_{katóda} – E°_{anóda}
\]
\[
E°_{sel} = 1.23\, \text{V} – (-0.50\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 1.23\, \text{V} + 0.50\, \text{V} = 1.73\, \text{V}
\]
Takže potenciál bunky (E°_cell) je +1.73 V.
Záver
Pochopenie štandardných elektródových potenciálov je v elektrochémii kľúčové pre určenie trendov redoxných reakcií a elektrochemických potenciálov článku. Pomocou vyššie uvedených krokov môžeme ľahko vypočítať potenciál článku danej redoxnej reakcie. Štandardné elektródové potenciály sa používajú na určenie anódy a katódy v galvanickom článku, ako aj na výpočet celkového potenciálu článku, ktorý indikuje účinnosť a smer redoxnej reakcie.
