Стандартную ЭДС некоторых пар полуэлементов можно вычислить, не прибегая к потенциометрическим измерениям, через определяющее уравнение ЭДС (9.12) с помощью энергий Гиббса образования участников реакции в ячейке, если они известны:
Кроме того, существует способ вычислений, который во многих случаях оказывается более простым, более прямым и иногда более точным. Для этого служат стандартные электродные потенциалы реакций восстановления в водной среде, публикуемые в таблицах физико-химических величин.
Стандартным электродным потенциалом реакции восстановления называется стандартная ЭДС элемента, составленного из данного электрода и водородного электрода, причем полуреакция на водородном электроде рассматривается как окисление водорода. То есть в соответствующей схеме элемента водородный электрод находится слева в любом случае, так что стандартный электродный потенциал относится к реакции восстановления водородом. Обозначается он? е, как и стандартная ЭДС. Его не следует понимать как электрический потенциал клеммы, электрода или какой-либо другой детали в конструкции элемента, хотя этот термин часто употребляется, как если бы это было именно так.
Например, стандартная ЭДС ячейки Харнеда
рассмотренной в предыдущих разделах, является стандартным электродным потенциалом реакции:
В таблицах его величина указывается для полуреакции А§С1(т) + + е“ = А?(т) + СГ(ая), которую следует понимать как условную запись полной реакции восстановления серебра (+1) водородом Н 2 .
Как и любая стандартная термодинамическая функция, стандартный электродный потенциал зависит только от температуры и выбора стандартных состояний.
Стандартный электродный потенциал водородного электрода является стандартной ЭДС элемента РДт)|Н 2 (г)|Н + (ая)|Н 2 (г)|РДт). Он равен нулю при любой температуре.
Так как величины стандартных ЭДС связаны со стандартной энергией Гиббса реакции уравнением (9.20), они имеют свойство аддитивности, аналогичное этому свойству у величин ДС е. В этом можно убедиться на примере. Пусть речь идет о гальваническом элементе
Полная реакция этого элемента имеет вид:
Стандартный электродный потенциал левой полуячейки в (9.21) равен стандартной ЭДС элемента
с реакцией
Стандартный электродный потенциал правой полуячейки в (9.21) равен стандартной ЭДС элемента
с реакцией
Можно видеть, что реакция (1) является разностью реакций (3) и (2). Поэтому в соответствии с законом Гесса справедливо
Из этого следует:
В реакциях (1), (2) и (3) стехиометрические числа электронов у е (у 1? у 2 и у 3) равны 2. Поэтому они сокращаются, как и постоянная Фарадея. Тогда получается: = ?^ - ?Это соотношение справедливо для любого элемента. Оно является следствием закона Гесса и может служить общим правилом, по которому стандартная ЭДС любого электрохимического элемента равна разности стандартных электродных потенциалов полуреакций, протекающих на правом и левом электродах.
С помощью этого соотношения можно вычислить стандартную ЭДС любого элемента из стандартных электродных потенциалов соответствующих полуреакций, если они известны. Для этого вовсе не обязательно воображать данный электрод в паре с водородным. Проще придерживаться другого правила: обе полуреакций элемента следует записать (или представить в уме) как полуреакций восстановления с электронами в левой части, найти эти полуреакций в таблице стандартных электродных потенциалов и вычислить по (9.22). Например, по этому рецепту для элемента (9.21) две полуреакций имеют вид:
В таблице стандартных электродных потенциалов можно найти для них величины -0,403 и 0,222 В соответственно. Тогда по формуле (9.22) получается:
Следует заметить, что стандартные ЭДС и стандартные электродные потенциалы не зависят от природы ионов, не принимающих прямого участия в электродных реакциях. Это следует из того, что стандартным состоянием ионов данного сорта в растворе является гипотетический раствор со свойствами идеально разбавленного раствора. При идеальном разбавлении свойства ионов данного сорта не зависят от других присутствующих ионов. Поэтому вывод уравнения (9.22), данный выше, не изменится, если вместо элемента (9.21) рассматривать элемент с переносом:
с любыми анионами в растворе левой полуячейки и с любыми катионами в растворе правой полуячейки. Точно так же стандартные электродные потенциалы реакций в таблицах не зависят от того, с какими ионами противоположного знака сопряжены ионы, указанные в этих реакциях.
Как вы уже знаете, химические процессы могут сопровождаться различными явлениями - поглощением и выделением теплоты, света, звука и т.д. В частности, они могут приводить к возникновению электрического тока или вызываться им. Такие процессы называются электрохимическими, и их открытие сыграло существенную роль как в химии, так и в физике.
Возьмем два одинаковых стакана. В один нальем раствор хлорида меди и опустим в него медную пластину, в другой - раствор хлорида цинка и опустим в него цинковую пластину. Внешне при этом в обоих стаканах ничего не происходит. Однако если соединить металлические пластины проводником с встроенным в него гальванометром и амперметром, то мы увидим, что стрелка гальванометра отклонится, показывая наличие разности потенциалов. При этом стрелка амперметра останется на нуле, что свидетельствует об отсутствии тока между пластинами. Что же происходит?
Хотя, опуская пластину меди в раствор соли меди, мы ничего не видели, кое-что все же происходило. В очень тонком (практически мономолекулярном) слое раствора, прилегающем к металлу, полярные молекулы воды начали вырывать из кристаллической решетки меди ее ионы:
Cu (тв) «Cu 2+ +2e -
Этот процесс можно рассматривать как обычную химическую реакцию, но с участием необычного реагента - электронов, которые в результате реакции остаются в металле, придавая ему отрицательный заряд, Слой раствора, прилегающий к металлу, за счет избытка положительных ионов приобретает положительный заряд. Возникает разница потенциалов, которая стремится вернуть
ионы меди обратно в металл, и устанавливается равновесие. Получается, что в результате химического процесса появилось электрическое устройство - конденсатор (правда, имеющий молекулярные размеры). Он называется двойным электрическим слоем, а вся созданная система (металл - раствор его соли) - полуэлементом, В отличие от обычного химического равновесия, полученное нами характеризуется не только соотношением концентраций реагентов и продуктов, но и разницей потенциалов в двойном электрическом слое. Эта разница называется электродным потенциалом металла и характеризует окислительно-восстановительную способность твердого металла. (Сразу отметим, что такую способность для газообразного металла характеризует совсем другая величина - ионизационный потенциал, который равен энергии, необходимой для отрыва электрона от изолированного атома).
Непосредственно измерить электродный потенциал практически невозможно - ведь он существует между объектами, разделёнными одним слоем молекул. Однако если взять два полуэлемента, образованных разными металлами (как в нашем опыте), то потенциалы на металлических пластинах будут разными, что мы и заметили. Полученная система из двух полуэлементов называется гальваническим элементом.
: Если мы соединим в нашем опыте стаканы трубочкой с раствором какой-либо соли (солевым мостиком), то амперметр покажет наличие тока. При этом, поскольку электродный потенциал цинка ниже, чем у меди, то электроны из цинковой пластины пойдут в медную. По принципу Ле Шателье в обоих полуэлементах сместится равновесие в двойном электрическом слое (ведь электроны участвуют в реакции!) Это приведет к тому, что медь из раствора будет осаждаться на медной пластине, а цинк уходить с цинковой пластины в раствор. По солевому мостику избыток положительных ионов из стакана с хлоридом цинка будет переходить в раствор хлорида меди, восстанавливая электростатическое равновесие. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока либо не растворится полностью цинк, либо не кончится хлорид меди. Если отвлечься от электрических процессов и рассматривать только химические, то получится реакция: Cl 2 +Zn=Cu+ZnCl 2
Но ее можно провести и без гальванического элемента! Однако только его участие объясняет, почему реакция идет именно в этом направлении, а, скажем, не наоборот. Таким образом, знание величин электродных потенциалов позволяет предсказать возмож-
ность и направление окислительно-восстановительных реакций. Как же их узнать?
Если использовать один и тот же полуэлемент (электрод сравнения) в сочетании с различными другими, то можно получить набор величин, которые будут отличаться от электродных потенциалов сравниваемых металлов на одну и ту же величину - на потенциал электрода сравнения. На практике эти величины можно использовать так же, как и сами электродные потенциалы.
Реально в качестве электрода сравнения используется водородный электрод. Он представляет собой специально подготовленную платиновую пластину, погруженную в раствор серной кислоты с концентрацией ионов водорода 1 моль/л и омываемую непрерывной струей водорода под давлением 100000 Па при температуре 25°С. При этом на поверхности платины происходят следующие процессы.
Н«Н + +e - (2)
Реакция (2), как видно, очень похожа на ту, что происходит в металлическом полуэлементе. На платиновой пластине появляется потенциал, который условно принят за ноль.
Если пластину металла, погруженного в раствор его соли с концентрацией 1 моль/л, соединить в гальванический элемент с водородным электродом при температуре 25°С, то возникшая разность потенциалов называется стандартным электродным потенциалом металла и обозначается как E°.
Металлы, расположенные в порядке возрастания их стандартных электродных потенциалов, образуют так называемый электрохимический ряд напряжений металлов
Li, Rb, К, Ва, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au
Если вспомнить, что происходило в нашем гальваническом элементе, то легко понять, почему расположение металлов в этом ряду предсказывает их свойства:
1) Каждый металл может вытеснять (восстанавливать) из растворов их солей те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него.
2) Все металлы, имеющие отрицательный электродный потенциал (то есть стоящие в ряду напряжений до водорода), могут вытеснять (восстанавливать) его из растворов кислот.
Как нетрудно догадаться, понятие стандартного электродного потенциала приложимо не только к системе металл/ион металла, но и к любой реакции, проходящей с участием электронов. Эти реакции вам хорошо знакомы: вы их писали, составляя электронно-ионный баланс для уравнивания окислительно-восстановительных реакций, например:
Cr 2 O 2- 7 +14Н + +бe - ®2Cr 3+ +7Н 2 O
Мы не будем останавливаться на том, как измеряют стандартные электродные потенциалы таких полуреакций - это выходит за рамки данного курса, но такие методы есть, и с их помощью определены стандартные окислительно-восстановительные потенциалы огромного количества реакций. Они сведены в таблицы, где приводятся стандартные потенциалы реакций в форме:
| окисленная форма | + ne - ® | восстановленная форма |
и, соответственно, показывают окислительную способность окисленной формы. Для того, чтобы понять, возможно ли протекание окислительно-восстановительной реакции, необходимо найти разность стандартных потенциалов соответствующих полуреакций. Например, узнаем, можно ли с помощью кислого раствора бихромата получить свободные галогены окислением бромидов и хлоридов. Находим в таблице 12 полуреакцию для окислителя
В случае бромида разница потенциалов 0.28 В > 0 и реакция K 2 Cr 2 O 7 +KBr+H 2 SO 4 ®Cr 2 (SO 4) 3 +K 2 SO 4 +H 2 O+Br 2
будет идти. В случае же хлорида разница составляет -0.01 В<0 и аналогичная реакция происходить не будет. Напротив, будет идти обратная реакция, то есть окисление трехвалентного хрома в кислом растворе хлором. Однако нужно помнить, что выяснять направление реакции с помощью стандартных потенциалов можно только при условии, что реакция проходит при 25°С, а Концентрации всех реагентов - 1 моль/л. Так, на самом деле реакция окисления хлорида калия бихроматом калия будет идти, так как при 25°С невозможно создать в растворе концентрацию хлора 1 моль/л.
1. В кислой среде ни в левой, ни в правой части не должно быть ионов Уравнивание осуществляется за счет ионов и молекул воды.
2. В щелочной среде ни в левой, ни в правой части не должно быть ионов . Уравнивание осуществляется за счет ионов и молекул воды.
3. В нейтральной среде ни ионов , ни в левой части быть не должно. Однако в правой части среди продуктов реакции они могут появиться.
4. Рассмотрим, как работают предложенные схемы на конкретных примерах .
5. Задача. Закончить уравнение реакции между бихроматом калия и соляной кислотой.
6. Ион содержит хром в его высшей степени окисления, следовательно, может выступать только в роли окислителя. По схеме составим полуреакцию, учитывая, что среда кислотная (HCl).
Полуреакция восстановления:
7. Ионы могут только окисляться, т.к. хлор имеет самую низшую степень окисления. Составим полуреакцию окисления:
9. Суммируем сначала левые, а затем правые части полуреакций, не забывая предварительно умножить множитель на коэффициент, если он стоит перед формулой.
11. Получили сокращенное ионное уравнение.
12. Добавляем недостающие катионы или анионы, учитывая, что количество добавляемых ионов в правую и левую части ионного уравнения должно быть одинаковым.
13. В данном случае источником ионов ─ была соль , поэтому с каждым молем в раствор попадает 2 моль ионов . В реакции они участия не принимают, поэтому в неизменном виде должны перейти в правую часть уравнения. Вместе с 14 моль ионов в раствор вносится 14 моль ионов . Из них 6 участвует в реакции в качестве восстановителя, а остальные 8, как и ионы , в неизменном виде остаются после реакции, т.е. дописываются в правую часть.
14. В результате получаем:
16. После этого можно объединить ионы в формулы реальных веществ:
40. Количественные характеристики окислительно-восстановительных переходов. Электродные потенциалы металлов. Гальванический элемент. Водородный электрод и водородный нуль отсчета потенциалов. Стандартные условия и стандартный потенциал полуреакции. Таблицы стандартных восстановительных потенциалов. Использование табличных данных для оценки возможности протекания ОВР.
Электродные потенциалы – разность электрических потенциалов между электродом и находящимся с ним в контакте электролитом.
Возникновение электродного потенциала обусловлено переносом заряженных частик ч-з границу раздела фаз, специф. адсорбцией ионов. Величина электродного потенциала в неравномерном состоянии зависит от природы и состава контактирующих фаз.
Электродный потенциал является постоянной величиной при данной температуре, если пластинка металла опущена в раствор его соли с активностью ионов металла. Такой потенциал называется стандартным электродным потенциалом .
Гальванический элемент - химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани. Переход химической энергии в электрическую энергию происходит в гальванических элементах.
Стандартный водородный электрод - электрод, использующийся в качестве электрода сравнения при различных электрохимических измерениях и в гальванических элементах. Водородный электрод (ВЭ) представляет собой пластинку или проволоку из металла, хорошо поглощающего газообразный водород (обычно используют платину или палладий), насыщенную водородом (при атмосферном давлении) и погруженную в водный раствор, содержащий ионы водорода. Потенциал пластины зависит от концентрации ионов Н + в растворе. Электрод является эталоном, относительно которого ведется отсчет электродного потенциала определяемой химической реакции. При давлении водорода 1 атм., концентрации протонов в растворе 1 моль/л и температуре 298 К потенциал ВЭ принимают равным 0 В. При сборке гальванического элемента из ВЭ и определяемого электрода, на поверхности платины обратимо протекает реакция:
2Н + + 2e − = H 2
то есть, происходит либо восстановление водорода, либо его окисление - это зависит от потенциала реакции, протекающей на определяемом электроде. Измеряя ЭДС гальванического электрода при стандартных условиях (см. выше) определяют стандартный электродный потенциал определяемой химической реакции.
ВЭ применяют для измерения стандартного электродного потенциала электрохимической реакции, для измерения концентрации (активности) водородных ионов, а также любых других ионов. Применяют ВЭ так же для определения произведения растворимости, для определения констант скорости некоторых электрохимических реакций.
Схема стандартного водородного электрода :
1. Платиновый электрод.
2. Подводимый газообразный водород.
3. Раствор кислоты (обычно HCl), в котором концентрация H + = 1 моль/л.
4. Водяной затвор, препятствующий попаданию кислорода воздуха.
5. Электролитический мост (состоящий из концентрированного р-ра KCl), позволяющий присоединить вторую половину гальванического элемента.
Нормальный электродный потенциал позволяет оценивать термодинамическую активность различных химических веществ, но в настоящее время нет методов, позволяющих измерять абсолютное значение его. В связи с этим электроды характеризуют так называемым стандартным потенциалом электрода, который представляет собой (по предложению Нернста) разность нормальных потенциалов рассматриваемого и стандартного водородного электродов, определенных при 25 °С (298 К). При таком подходе стандартный электродный потенциал водорода, условно принимают равным нулю. Тогда стандартный потенциал вещества, электродный потенциал которого в указанных условиях, более отрицателен, чем потенциал стандартного водородного электрода, считается отрицательным. Если же электродный потенциал вещества менее отрицателен, чем потенциал стандартного водородного электрода, стандартный потенциал вещества считается положительным.
Электрохимический ряд активности металлов (ряд напряжений , ряд стандартных электродных потенциалов ) - последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов φ 0 , отвечающих полуреакции восстановления катиона металла Me n+ : Me n+ + nē → Me
Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.
Ряд напряжений используется на практике для сравнительной [относительной] оценки химической активности металлов в реакциях с водными растворами солей и кислот и для оценки катодных и анодных процессов при электролизе:
· Металлы, стоящие левее, являются более сильными восстановителями, чем металлы, расположенные правее: они вытесняют последние из растворов солей. Например, взаимодействие Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu возможно только в прямом направлении.
· Металлы, стоящие в ряду левее водорода, вытесняют водород при взаимодействии с водными растворами кислот-неокислителей; наиболее активные металлы (до алюминия включительно) - и при взаимодействии с водой.
· Металлы, стоящие в ряду правее водорода, с водными растворами кислот-неокислителей при обычных условиях не взаимодействуют.
· При электролизе металлы, стоящие правее водорода, выделяются на катоде; восстановление металлов умеренной активности сопровождается выделением водорода; наиболее активные металлы (до алюминия) невозможно при обычных условиях выделить из водных растворов солей.
41. Окислительно-восстановительные равновесия в растворах. Уравнение Нернста. Электролиз. Электрохимические источники энергии. Коррозия как электрохимический процесс. Электролиз растворов и расплавов. Электролитическое получение металлов. Закон Фарадея. Практическое значение электролиза.
Электролиз – процесс раздельного окисления и восстановления на электродах, осуществляемый за счет протекания тока от внешнего источника. Анод = окисление, положительно заряжен, катод = восстановление, отрицательно заряжен.
Закон Фарадея : масса выделившегося при электролизе вещества прямо пропорциональна количеству прошедшего через раствор электричества. Равные количества электричества способствуют выделению из различных химических соединений эквивалентных масс.
m=(M*I*t)/(n*F)
Практическое значение электролиза
Явление электролиза широко применяется в современной промышленности. В частности, электролиз является одним из способов промышленного получения алюминия, водорода а также хлора, гидроксида натрия. Большое количество металлов извлекается из руд и подвергается переработке с помощью электролиза. Также электролиз является основным процессом, благодаря которому функционируют химеские источники тока.
Электролиз применяется в очистке сточных вод.
Каждая окислительно-восстановительная реакция слагается из полуреакций окисления и восстановления. Когда реакция протекает в гальваническом элементе или осуществляется путем электролиза, то каждая полуреакция протекает на соответствующем электроде; поэтому полуреакции называют также электродными процессами.
В § 98 было показано, что протекающей в гальваническом элементе окислительно-восстановительной реакции соответствует э. д. с. этого элемента Е, связанная с изменением энергии Гиббса AC реакции уравнением:
В соответствии с разделением окислительно-восстановительной реакции на две полуреакции электродвижущие силы также принято представлять в виде разности двух величин, каждая из которых отвечает данной полуреакции. Эти величины называются электродными потенциалами.
Для медно-цинкового элемента реакция, протекающая при его работе
разбивается на полуреакции:
Соответственно э. д. с. этого элемента (E) можно представить как разность электродных потенциалов (ср), один из которых (Cp 1) отвечает первой, а другой (ср 2) - второй из записанных полуреакций:
При этом изменение энергии Гиббса AC 1 , которое отвечает термодинамически обратимому восстановлению одного моля ионов меди, равно
а изменение энергии Гиббса AC 2 , отвечающее термодинамически обратимому окислению одного моля атомов цинка, равно
В общем случае любому электродному процессу
соответствует электродный потенциал ср и изменение энергии Гиббса AG, равное:
Здесь Red и Ox - сокращения латинских слов, обозначающие восстановленную и окисленную формы веществ, участвующих в электродном процессе.
В дальнейшем, говоря об электродных процессах, мы будем записывать их уравнения в сторону восстановления (за исключением, конечно, тех случаев, когда речь будет идти именно об окислении).
В результате изучения потенциалов различных электродных процессов установлено, что их величины зависят от следующих трех факторов: 1) от природы веществ - участников электродного процесса; 2) от соотношения между концентрациями этих веществ и 3) от температуры системы. Эта зависимость выражается уравнением:
где ср° - стандартный электродный потенциал данного процесса - константа, физический смысл которой рассмотрен ниже; R - газовая постоянная; T - абсолютная температура; 2 - число электронов, принимающих участие в процессе; F - постоянная Фарадея; [Ох] и - произведения концентраций веществ, участвующих в процессе в окисленной (Ox) и в восстановленной (Red) формах.
Физический смысл величины ф° становится ясным при рассмотрении случая, когда концентрации (активности) всех веществ, участвующих в данном электродном процессе, равны единице. При этом условии второе слагаемое правой части уравнения обращается в нуль (lg 1 = 0) и уравнение принимает вид:
Концентрации (активности), равные единице, называются стандартными концентрациями (активностями). Поэтому и потенциал, отвечающий этому случаю, называется стандартным потенциалом. Итак, стандартный электродный потенциал - это потенциал данного электродного процесса при концентрациях (точнее говоря, активностях) всех участвующих в нем веществ, равных единице.
Таким образом, в уравнении электродного потенциала первое слагаемое (ср°) учитывает влияние на его величину природы веществ,
а второе
- их концентраций. Кроме того, оба члена
изменяются с температурой.
Для обычной при электрохимических измерениях стандартной температуры (25 0 C = 298 К), при подстановке значений постоянных величин R = 8,31 ДжДмоль К), F= 96 500 Кл/моль] уравнение принимает вид:
Для построения численной шкалы электродных потенциалов нужно потенциал какого-либо электродного процесса принять равным нулю. В качестве эталона для создания такой шкалы принят электродный процесс:
Изменение энергии Гиббса, связанное с протеканием этой полу- реакции при стандартных условиях, принимается равным нулю. В соответствии с этим и стандартный потенциал данного электродного процесса принят равным нулю. Все электродные потенциалы, приводимые в настоящей книге, а также в большинстве других современных изданий, выражены по этой так называемой водородной шкале.
Приведенный выше электродный процесс осуществляется на водородном электроде. Последний представляет собой платиновую пластинку, электролитически покрытую губчатой платиной и погруженную в раствор кислоты, через который пропускается водород (рис. 84). Водород хорошо растворяется в платине; при этом молекулы водорода частично распадаются на атомы (пластина катализирует этот распад). На поверхности соприкосновения платины с раствором кислоты может протекать окисление атомов или восстановление ионов водорода. Платина при этом практически не принимает участия в электродных реакциях и играет как бы роль губки, пропитанной атомарным водородом.
Потенциал водородного электрода воспроизводится с очень высокой точностью. Поэтому водородный электрод и принят в качестве эталона при создании шкалы электродных потенциалов.
Установим, какой вид принимает общее уравнение электродного потенциала для водородного электрода. В соответствии с уравнением электродного процесса 2 = 2, [Ох] = 2 , = . Концентрация
Рис.
Рис. 85.
слева - электрод, потенциал которого нужно измерить; справа - каломельный электрод; в середине - соединительный сосуд
растворенного в платине водорода пропорциональна его парциальному давлению рщ.
где k - постоянная при данной температуре величина. Включая ее в значение ф°, получим:
Обычно парциальное давление водорода рщ поддерживается равным нормальному атмосферному давлению, которое условно принимается за единицу. В этом случае последний член полученного уравнения обращается в нуль (lg 1 = 0). Тогда
Поскольку стандартный потенциал рассматриваемого процесса принят равным нулю, то
или, учитывая, что Ig [Н + ] = -pH, окончательно получаем:
Для определения потенциала того или иного электродного процесса нужно составить гальванический элемент из испытуемого и стандартного водородного электродов и измерить его э. д. с. Поскольку потенциал стандартного водородного электрода равен нулю, то измеренная э. д. с. будет представлять собой потенциал данного электродного процесса.
Практически при измерениях потенциалов в качестве электрода сравнения пользуются не стандартным водородным, а другими электродами, более удобными в обращении, потенциалы которых по отношению к стандартному водородному электроду известны. При этом необходимо рассчитать э. д. с. элемента согласно уравнению:
где E - э. д. с. элемента; ф ср - известный потенциал электрода сравнения; ф г - потенциал испытуемого электрода.
Решая уравнение относительно ф х, получаем:
В качестве электродов сравнения чаще всего применяют хлор-серебряный и каломельный электроды. Хлорсеребряный электрод - это серебряная проволочка, покрытая слоем AgCl и погруженная в раствор соляной кислоты или ее соли. При замкнутой цепи на нем протекает реакция:
Каломельный электрод представляет собой ртуть, покрытую взвесью каломели Hg 2 Cl 2 в растворе КС1. Потенциалы этих электродов воспроизводятся с высокой точностью. На рис. 85 изображена цепь с каломельным электродом.
Для того чтобы найти значение электродного потенциала, необходимо измерить не напряжение работающего элемента, а именно его э. д. с. При измерениях э. д. с. сопротивление внешней цепи (т.е. измерительного устройства) очень велико. Реакция в элементе при этом практически не протекает. Таким образом, электродные потенциалы отвечают обратимому протеканию процессов или, что то же самое, состоянию электрохимического равновесия на электродах. Поэтому электродные потенциалы часто называют равновесными электродными потенциалами или просто равновесными потенциалами.
Ниже представлено общее уравнение электродного потенциала в важнейших случаях.
1. Электродный процесс выражается уравнением
где M обозначает атомы какого-либо металла, М г+ - его 2-зарядные ионы.
К этому случаю относятся оба электрода медно-цинкового элемента и вообще любой металлический электрод в растворе соли этого же металла. Здесь окисленной формой металла являются его ионы, а воестановленной - атомы. Следовательно, [Ох] = [М 2+ ], a = const, так как концентрация атомов в металле при постоянной температуре - величина постоянная. Включая значение этой постоянной в величину ф°, получим:
Например, для процесса
а для процесса
2. Электродный процесс выражается уравнением:
В этом случае и окисленная (М), и восстановленная (M) формы металла находятся в растворе и их концентрации - величины переменные. Поэтому
Например, для процесса
В этом и в рассматриваемых ниже случаях электрод, на котором протекает электродный процесс, изготовляется из инертного материала. Чаще всего в качестве такого материала применяют платину.
Мы рассмотрели примеры, когда в электродных процессах принимали участие только ионы, состоящие из одного элемента. Однако часто окисляющееся или восстанавливающееся вещество состоит не из одного, а из двух или большего числа элементов. Чаще всего в составе окислителя содержится кислород; при этом в электродном процессе обычно принимают участие также вода и продукты ее диссоциации - ионы водорода (в кислой среде) или гидроксид-ионы (в щелочной среде). Рассмотрим, как будут выглядеть в таких случаях уравнения потенциалов электродных процессов.
3. Электродный процесс выражается уравнением:
Эта полуреакция (при протекании ее в сторону восстановления) играет очень большую роль при коррозии металлов (см. § 196). Кислород - самый распространенный окислитель, вызывающий коррозию металлов в водных средах.
В рассматриваемом электродном процессе в результате восстановления кислорода, протекающего с участием ионов водорода, образуется вода. Следовательно, = 2 , а [Ох] = 4 . Концентрацию воды в разбавленных растворах можно считать постоянной. Концентрация кислорода в растворе пропорциональна его парциальному давлению над раствором ( = kp 02). Выполнив необходимые преобразования и обозначив сумму постоянных величин через ф°, получим:
Для рассматриваемого процесса ф° = 1,228 В, следовательно
При парциальном давлении кислорода, равном нормальному атмосферному давлению (которое условно принимается равным единице), Ig Pq 2 = 0, и последнее уравнение принимает вид
4. Для электродных процессов, записываемых более сложными уравнениями, в выражениях для потенциалов содержится большее число переменных концентраций. Рассмотрим, например, электродный процесс:
Эта полуреакция протекает (в сторону восстановления) при взаимодействии перманганата калия с большинством восстановителей в кислой среде.
Концентрации всех веществ, участвующих в рассматриваемом электродном процессе, кроме воды, - величины переменные. Для этого процесса ф° = 1,507 В. Уравнение электродного потенциала имеет вид:
Примеры 3 и 4 показывают, что в случае электрохимических процессов, протекающих с участием воды, концентрация ионов водорода входит в числитель логарифмического члена уравнения потенциала. Поэтому электродные потенциалы таких процессов зависят от pH раствора и имеют тем большую величину, чем кислее раствор.
Как уже отмечалось, зависимость электродного потенциала от природы веществ - участников электродного процесса учитывается велиТаблица 18
Электродные потенциалы в водных растворах при 25 °С и при парциальном давлении газов, равном нормальному атмосферному давлению
|
Электродный процесс |
|
 |
|
 |
|
Окончание
|
Электродный процесс |
Уравнение электродного потенциала |
чиной ср°. В связи с этим все электродные процессы принято располагать в ряд по величине их стандартных потенциалов. В табл. 18 уравнения важнейших электродных процессов и соответствующие электродные потенциалы приведены в порядке возрастания величин ср°.
Положение той или иной электрохимической системы в этом ряду характеризует ее окислительно-восстановительную способность. Под электрохимической системой здесь подразумевается совокупность всех веществ - участников данного электродного процесса.
Окислительно-восстановительная способность - понятие, характеризующее именно электрохимическую систему, но часто говорят и об окислительно-восстановительной способности того или иного вещества (или иона). При этом следует, однако, иметь в виду, что многие вещества могут окисляться или восстанавливаться до различных продуктов. Например, перманганат калия (ион MnOJ) может в зависимости от условий, прежде всего от pH раствора, восстанавливаться либо до иона Mn 2+ , либо до MnO 2 , либо до иона МпО|“.
Соответствующие электродные процессы выражаются уравнениями:
Поскольку стандартные потенциалы этих трех электродных процессов различны (см. табл. 18), то различно и положение этих трех систем в ряду ср°. Таким образом, один и тот же окислитель (MnOJ) может занимать в ряду стандартных потенциалов несколько мест.
Элементы, проявляющие в своих соединениях только одну степень окисленности, имеют простые окислительно-восстановительные характеристики и занимают в ряду стандартных потенциалов мало мест. К их числу относятся в основном металлы главных подгрупп I-III групп периодической системы. Много же мест в ряду ср° занимают те элементы, которые образуют соединения различных степеней окисленности - неметаллы и многие металлы побочных подгрупп периодической системы.
Ряд стандартных электродных потенциалов позволяет решать вопрос о направлении самопроизвольного протекания окислительно-восстановительных реакций. Как и в общем случае любой химической реакции, определяющим фактором служит здесь знак изменения энергии Гиббса реакции. Если из двух электрохимических систем составить гальванический элемент, то при его работе электроны будут самопроизвольно переходить от отрицательного полюса элемента к положительному, т.е. от электрохимической системы с более низким значением электродного потенциала к системе с более высоким его значением. Но это означает, что первая из этих систем будет выступать в качестве восстановителя, а вторая - в качестве окислителя. Следовательно, в гальваническом элементе окислительно-восстановительная реакция может самопроизвольно протекать в таком направлении, при котором электрохимическая система с более высоким значением электродного потенциала выступает в качестве окислителя, т.е. восстанавливается. При непосредственном взаимодействии веществ возможное направление реакции будет, конечно, таким же, как и при ее осуществлении в гальваническом элементе.
Если окислитель и восстановитель расположены далеко друг от друга в ряду ср°, то направление реакции практически полностью определяется их взаимным положением в этом ряду. Например, цинк (ф° = -0,763 В) будет вытеснять медь (ф° = +0,337 В) из водного раствора ее соли при любой практически осуществимой концентрации этого раствора. Если же величины ф° для окислителя и восстановителя близки друг к другу, то при решении вопроса о направлении самопроизвольного протекания реакции необходимо учитывать влияние на электродные потенциалы также и концентраций соответствующих веществ. Например, реакция
может самопроизвольно идти как слева направо, так и справа налево. Направление ее протекания определяется концентрациями ионов железа и ртути. В этой реакции участвуют две электрохимические системы:
Соответствующим электродным процессам отвечают потенциалы:
Величины Cp 1 и ср 2 при моль/1000
г H 2 O равны соответственно:
Таким образом, при взятом соотношении концентраций Cp 1 > ср 2 и реакция протекает слева направо.
Теперь подсчитаем Cp 1 и ср 2 при обратном соотношении концентраций. Пусть
Следовательно, при этих концентрациях ср 2 > Cp 1 и реакция протекает справа налево.
Если окислительно-восстановительная реакция протекает с участием воды и ионов водорода или гидроксид-ионов, то необходимо учитывать также величину pH среды.
В табл. 18 включено 39 полуреакций; комбинируя их друг с другом, можно решить вопрос о направлении самопроизвольного протекания 39 38/2 = 741 реакции.
Пример. Установить направление возможного протекания реакции:
Запишем уравнение реакции в ионно-молекулярной форме:
В табл. 18 находим стандартные электродные потенциалы электрохимических систем, участвующих в реакции:
Окислителем всегда служит электрохимическая система с более высоким значением электродного потенциала. Поскольку здесь ср 2 ° значительно больше, чем Cp 1 0 , то практически при любых концентрациях взаимодействующих веществ бромид-ион будет служить восстановителем и окисляться диоксидом свинца: реакция будет самопроизвольно протекать слева направо.
Чем дальше находится та или иная система в ряду стандартных потенциалов, т.е. чем больше ее стандартный потенциал, тем более сильным окислителем является ее окисленная форма. И, наоборот, чем раньше расположена система в ряду, т.е. чем меньше значение ср°, тем более сильный восстановитель ее восстановленная форма. Действительно, среди окисленных форм систем конца ряда мы находим такие сильные окислители, как F 2 , H 2 O 2 , МП4. Самые же сильные восстановители - восстановленные формы систем начала ряда: щелочные и щелочноземельные металлы.
При протекании окислительно-восстановительных реакций концентрации исходных веществ падают, а продуктов реакции - возрастают. Это приводит к изменению величин потенциалов обеих полуре- акций: электродный потенциал окислителя падает, а электродный потенциал восстановителя возрастает. Когда потенциалы обоих процессов становятся равными друг другу, реакция заканчивается - наступает состояние химического равновесия.
- Строго говоря, величина электродного потенциала зависит от соотношения неконцентраций, а активностей (см. § 86) веществ; во всех рассматриваемых далее уравнениях вместо концентрации должна стоять активность. Но при невысоких концентрациях растворов погрешность, вносимая заменой активности на концентрацию, невелика.
Для гальванического элемента принята следующая форма записи (на примере элемента Даниэля):
Zn | ZnSO 4 || CuSO 4 | Cu,
где вертикальная линия | обозначает границу раздела фаз, а двойная вертикальная линия || - солевой мостик. Электрод, на котором происходит окисление, называется анодом ; электрод, на котором происходит восстановление, называется катодом . Гальванический элемент принято записывать так, чтобы анод находился слева.
Электродные полуреакции принято записывать как реакции восстановления (таблица 12.1), поэтому общая реакция в гальваническом элементе записывается как разность между реакциями на правом и левом электродах:
Правый электрод: Cu 2+ + 2e = Cu
Левый электрод: Zn 2+ + 2e = Zn
Общая реакция: Cu 2+ + Zn = Cu + Zn 2+
Потенциал E электрода рассчитывается по формуле Нернста :
где a Ox и a Red - активности окисленной и восстановленной форм вещества, участвующего в полуреакции; E o - стандартный потенциал электрода (при a Ox = a Red =1); n - число электронов, участвующих в полуреакции; R - газовая постоянная; T - абсолютная температура; F - постоянная Фарадея. При 25 o C
Стандартные электродные потенциалы электродов измеряются относительно стандартного водородного электрода, потенциал которого принят равным нулю. Значения некоторых стандартных электродных потенциалов приведены в таблице 12.1.
Электродвижущая сила (ЭДС ) элемента равна разности потенциалов правого и левого электродов:
E = E П - E Л.
Если ЭДС элемента положительна, то реакция (так, как она записана в элементе) протекает самопроизвольно. Если ЭДС отрицательна, то самопроизвольно протекает обратная реакция.
Стандартная ЭДС равна разности стандартных потенциалов:
Для элемента Даниэля стандартная ЭДС равна
E o = E o (Cu 2+ /Cu) - E o (Zn 2+ /Zn) = +0.337 - (-0.763) = +1.100 В.
ЭДС элемента связана с G протекающей в элементе реакции:
G = - nFE .
.
Константа равновесия реакции, протекающей в элементе Даниэля, равна
= 1.54 . 10 37 .
Зная температурный коэффициент ЭДС
, можно найти другие
термодинамические функции:
H = G + T S = - nFE + .
Таблица 12.1. Стандартные электродные потенциалы при 25 o С.
(Более полные данные можно найти в
базе по
окислительно-восстановительныи потенциалам
Электрод |
Электродная реакция |
|
| Li + /Li | Li + + e = Li | -3.045 |
| K + /K | K + + e = K | -2.925 |
| Ba 2+ /Ba | Ba 2+ + 2e = Ba | -2.906 |
| Ca 2+ /Ca | Ca 2+ + 2e = Ca | -2.866 |
| Na + /Na | Na + + e = Na | -2.714 |
| La 3+ /La | La 3+ + 3e = La | -2.522 |
| Mg 2+ /Mg | Mg 2+ + 2e = Mg | -2.363 |
| Be 2+ /Be | Be 2+ + 2e = Be | -1.847 |
| A1 3+ /A1 | Al 3+ + 3e = Al | -1.662 |
| Ti 2+ /Ti | Ti 2+ + 2e = Ti | -1.628 |
| Zr 4+ /Zr | Zr 4+ + 4e = Zr | -1.529 |
| V 2+ /V | V 2+ + 2e = V | -1.186 |
| Mn 2+ /Mn | Mn 2+ + 2e = Mn | -1.180 |
| WO 4 2- /W | WO 4 2- + 4H 2 O + 6e = W + 8OH - | -1.05 |
| Se 2- /Se | Se + 2e = Se 2- | -0.77 |
| Zn 2+ /Zn | Zn 2+ + 2e = Zn | -0.763 |
| Cr 3+ /Cr | Cr 3+ + 3e = Cr | -0.744 |
| Ga 3+ /Ga | Ga 3+ + 3e = Ga | -0.529 |
| S 2- /S | S + 2e = S 2- | -0.51 |
| Fe 2+ /Fe | Fe 2+ + 2e = Fe | -0.440 |
| Cr 3+ ,Cr 2+ /Pt | Cr 3+ + e = Cr 2+ | -0.408 |
| Cd 2+ /Cd | Cd 2+ + 2e = Cd | -0.403 |
| Ti 3+ , Ti 2+ /Pt | Ti 3+ + e = Ti 2+ | -0.369 |
| Tl + /Tl | Tl + + e = Tl | -0.3363 |
| Co 2+ /Co | Co 2+ + 2e = Co | -0.277 |
| Ni 2+ /Ni | Ni 2+ + 2e = Ni | -0.250 |
| Mo 3+ /Mo | Mo 3+ + 3e = Mo | -0.20 |
| Sn 2+ /Sn | Sn 2+ + 2e = Sn | -0.136 |
| Pb 2+ /Pb | Pb 2+ + 2e = Pb | -0.126 |
| Ti 4+ , Ti 3+ /Pt | Ti 4+ +e = Ti 3+ | -0.04 |
| D + /D 2 , Pt | D + + e = 1 / 2 D 2 | -0.0034 |
| H + /H 2 , Pt | H + + e = 1 / 2 H 2 | 0.000 |
| Ge 2+ /Ge | Ge 2+ + 2e = Ge | +0.01 |
| Br - /AgBr/Ag | AgBr + e = Ag + Br - | +0.0732 |
| Sn 4+ , Sn 2+ /Pt | Sn 4+ + 2e = Sn 2+ | +0.15 |
| Cu 2+ , Cu + /Pt | Cu 2+ + e = Cu + | +0.153 |
| Cu 2+ /Cu | Cu 2+ + 2e = Cu | +0.337 |
| Fe(CN) 6 4- , Fe(CN) 6 3- /Pt | Fe(CN) 6 3- + e = Fe(CN) 6 4- | +0.36 |
| OH - /O 2 , Pt | l / 2 O 2 + H 2 O + 2e = 2OH - | +0.401 |
| Cu + /Cu | Cu + + e = Cu | +0.521 |
| J - /J 2 , Pt | J 2 + 2e = 2J - | +0.5355 |
| Te 4+ /Te | Te 4+ + 4e = Te | +0.56 |
| MnO 4 - , MnO 4 2- /Pt | MnO 4 - + e = MnO 4 2- | +0.564 |
| Rh 2+ /Rh | Rh 2+ /Rh | +0.60 |
| Fe 3+ , Fe 2+ /Pt | Fe 3+ + e = Fe 2+ | +0.771 |
| Hg 2 2+ /Hg | Hg 2 2+ + 2e = 2Hg | +0.788 |
| Ag + /Ag | Ag + + e = Ag | +0.7991 |
| Hg 2+ /Hg | Hg 2+ + 2e = Hg | +0.854 |
| Hg 2+ , Hg + /Pt | Hg 2+ + e = Hg + | +0.91 |
| Pd 2+ /Pd | Pd 2+ + 2e = Pd | +0.987 |
| Br - /Br 2 , Pt | Br 2 + 2e = 2Br - | +1.0652 |
| Pt 2+ /Pt | Pt 2+ + 2e = Pt | +1.2 |
| Mn 2+ , H + /MnO 2 , Pt | MnO 2 + 4H + + 2e = Mn 2+ + 2H 2 O | +1.23 |
| Cr 3+ , Cr 2 O 7 2- , H + /Pt | Cr 2 O 7 2- + 14H + + 6e = 2Cr 3+ + 7H 2 O | +1.33 |
| Tl 3+ , Tl + /Pt | Tl 3+ + 2e = Tl + | +1.25 |
| Cl - /Cl 2 , Pt | Cl 2 + 2e = 2Cl - | +1.3595 |
| Pb 2+ , H + /PbO 2 , Pt | PbO 2 + 4H + + 2e = Pb 2+ + 2H 2 O | +1.455 |
| Au 3+ /Au | Au 3+ + 3e = Au | +1.498 |
| MnO 4 - , H + /MnO 2 , Pt | MnO 4 - + 4H + + 3e = MnO 2 + 2H 2 O | +1.695 |
| Ce 4+ , Ce 3+ /Pt | Ce 4+ + e = Ce 3+ | +1.61 |
| SO 4 2- ,H + /PbSO 4 , PbO 2 , Pb | PbO 2 + SO 4 2- + 4H +
+ 2e = PbSO 4 + 2H 2 O |
+1.682 |
| Au + /Au | Au + + e = Au | +1.691 |
| H - /H 2 , Pt | H 2 + 2e = 2H - | +2.2 |
| F - /F 2 , Pt | F 2 + 2e = 2F - | +2.87 |
Cu 2+ + 2e = Cu G o = -nFE o = -2(96485 Кл. моль -1)(+0.337 В) = -65031 Дж. моль -1 .
Cu + + e = Cu G o = -nFE o = -(96485 Кл. моль -1)(+0.521 В) = -50269 Дж. моль -1 .
Вычитая, получаем:
Cu 2+ + e = Cu + G o = -nFE o = -3(96485 Кл. моль -1)E o = -14762 Дж. моль -1 ,
откуда E o = +0.153 В.
Пример 12-2. Составить схему гальванического элемента, в котором протекает реакция
Ag | AgBr| Br - || Ag + | Ag
Правый электрод: Ag + + e = Ag E o = 0.7792 В
Левый электрод: AgBr + e = Ag + Br - E o = 0.0732 В
Общая реакция: Ag + + Br - = AgBr E o = 0.7260 В
G o = -nFE o = -(96485 Кл. моль -1)(0.7260 В) = -70.05 кДж. моль -1
= 1.872 . 10 12
1/K = a (Ag +) . a (Br -) = m (Ag +) . m (Br -) . () 2 = m 2 () 2
Отсюда, полагая = 1, получаем m = 7.31 . 10 -7 моль. кг -1
Пример 12-3. H реакции Pb + Hg 2 Cl 2 = PbCl 2 + 2Hg, протекающей в гальваническом элементе, равно -94.2 кДж. моль -1 при 298.2 K. ЭДС этого элемента возрастает на 1.45 . 10 -4 В при повышении температуры на 1К. Рассчитать ЭДС элемента и S при 298.2 K.
2 . 96485 . 1.45 . 10 -4 = 28.0 (Дж. моль -1. K -1).
G = H - T S = -nFE , откуда