Уравнение для расчета потенциала водородного электрода (2 видео)

Вычисление потенциала водородного электрода, погруженного в чистую воду и раствор с определенным рН

Задача 655.
Вычислить потенциал водородного электрода, погруженного: в чистую воду в раствор с рН = 3,5; в раствор с рН = 10,7.
Решение:
Стандартный электродный потенциал водородного электрода при нормальных условиях и концентрации ионов
водорода 1 моль/л (рН = 0), условно принимается 0,00В.
Если рН раствора изменять, т.е. изменять концентрацию ионов водорода в растворе, то потенциал водородного электрода тоже будет изменяться. Потенциал водородного электрода при различных значениях рН раствора можно определить из уравнения Нернста:

Используя это уравнение определим потенциал водородного электрода, погружённого а) в чистую воду; б) в раствор с рН = 3,5; в) в раствор с рН = 10,7:

а) В чистой воде рН = 7, получим:

Е_а) = 0,059 . (-7) = -0,41В ;

б) В растворе с рН = 3,5, получим:

Е_б) = 0,059 . (-3,5) = -0,21В ;

в) В растворе с рН = 10,7, получим:

Ответ: а) -0,41В; б) -0,21В; в) -0,63В.

Задача 656.
Потенциал водородного электрода в некотором водном растворе равен -118 мВ. Вычислить активность ионов Н + в этом растворе.
Решение:
Величина потенциала водородного электрода определяется по уравнению Нернста:

где Е 0 – стандартный электродный потенциал водорода; n – число электронов, принимающих участие в процессе; [H + ] – концентрация ионов водорода.
Из которого вытекает выражение водородного электрода:

где — активность ионов водорода.

Подставляя значения по условию задачи, рассчитаем активность ионов водорода, получим:

Ответ: 0,01моль/л.

Задача 657.
Вычислить потенциал свинцового электрода в насыщенном растворе PbBr₂, если [Br — ] = 1 молы/л, а ПР(PbBr₂) = 9,1 . 10 -6.
Решение:
E 0 (Pb 2+ /Pb) = 0,13B.
Для расчета потенциала используем уравнение Нернста:

Е 0 – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; с – концентрация ионов металла в растворе.

Поскольку концентрация [Br — ] = 1 молы/л, а ПР(PbBr₂) = 9,1 . 10 -6 , то концентрация ионов Рв 2+ равна:

Теперь, подставив значения в уравнение, получим:

Содержание

Водородный электрод
Окислительно — восстановительный потенциал
Электродные потенциалы. ЭДС реакции
Элемент Даниэля-Якоби
Окислительно-восстановительный потенциал
Факторы, влияющие на значение окислительно-восстановительного потенциала
Что можно определить по значению окислительно-восстановительного потенциала
Как определить электродвижущую силу (ЭДС) реакции?
Связь константы равновесия и окислительно — восстановительного потенциала
Как составить схему гальванического элемента?
💥 Видео

Видео:Уравнение Нернста. Задачи на расчет потенциалов. Продукты в ОВР. Ч.5-2.Скачать

Водородный электрод

Водородный электрод состоит из платиновой пластинки, покрытой платиновой чернью (для увеличения активной поверхности электрода) и погруженный в раствор, содержащей катионы водорода, обычно раствор HCl или H₂SO₄, На пластинку подается ток водорода, который поглощается платиной (учебник Ершова, с. 472).

(рис.3)

Водород, растворенный в платине, частично, под действием силовых полей атомов платины, диссоциирует на протоны и электроны:

H₂ 2H + + 2е. В результате такая платиновая пластина приобретает способность обмениваться с раствором ионами водорода. Условное обозначение водородного электрода Pt(H₂) | 2Н + . Электродный потенциал возникает на границе Pt- раствор кислоты и обозначается .

Если водородный электрод находится в стандартных условиях (Т = 298 К, С_H + = 1 моль/л, Р = 1 атм), он называется стандартным водородным электродом. Потенциал стандартного водородного электрода условно принят равным нулю: .

Металлический электрод соединяют проводником с водородным электродом (оба электрода находятся в стандартных условиях) и измеряют ЭДС цепи: ЭДС = Е₊ — E_– , где E₊ и Е_– потенциалы положительного и отрицательного электродов. Т.к. , то ЭДС будет равна электродному потенциалу данного металла. Такой электродный потенциал называется стандартным электродным потенциалом и обозначается .

Стандартный электродный потенциал численно равен электродвижущей силе со знаком «+» или «-» гальваническою элемента, составленного из стандартного водородного и стандартного данного электродов.

Стандартные электродные потенциалы распространенных металлов в водных растворах при 25 °С представлены в соответствующих таблицах.

Последовательность металлов по возрастанию стандартного потенциала Е 0 (от больших отрицательных к большим положительным значениям) называется рядомстандартныхэлектродныхпотенциалов или электрохимическим рядом напряжений. У металлов, стоящих до водорода, стандартные электродные потенциалы отрицательные. После водорода — положительные.

Таким образом, при стандартных условиях электродные потенциалы имеют определенные стандартные значения. Величиныстандартныхэлектродныхпотенциаловколичественнохарактеризуютвосстановительнуюспособностьметалловиокислительнуюспособностьихионов. Так, Li — самый сильный восстановитель, а Аu — самый слабый, и наоборот, ион Аu 3+ — самый сильный окислитель, а ион Li + — самый слабый.

Для условий отличных от стандартных (иная концентрация электролита и иная температура) электродные потенциалы будут иметь другие значения. Их можно рассчитать по уравнению Нернста (немецкий физик, 1888г):

где — электродный потенциал метала.

— стандартный электродный потенциал металла,

R — универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/моль*К,

Т — абсолютная температура, К.

n — заряд ионов металлов.

F — число Фарадея, равное 96500 Кл/моль,

ln — натуральный логарифм,

а — активность ионов металла в растворе, моль/л.

Таким образом, величина электродного потенциала зависит от природы металла (E 0 ), активности ионов металла в растворе и температуры.

В разбавленных растворах активность примерно равна молярной концентрации а ≈ с.

Для расчетов при температуре 298 К (25 °С), подставив константы R, F и умножив значение ln на 2,3 (коэффициент перехода от натуральных логарифмов к десятичным), получают уравнение Нернста в следующей форме:

Уравнение для расчета потенциала водородного электрода

Пример. Потенциал медного электрода (n = 2) в растворе CuCl₂ с концентрацией ионов меди С = 0,001 моль/л равен:

Запишем уравнение Нернста, для водородного электрода, находящегося в нестандартных условиях С_H ≠ 1 моль/л при 298° К:

По этой формуле, зная величину электродного потенциала водородного электрода, находящегося в исследуемом растворе, можно рассчитать рН этого раствора. Однако для серийных измерений водородный электрод не применяется в силу громоздкой конструкции и чувствительности к посторонним веществам и каталитическим ядам.

Видео:Гальванические элементы. 1 часть. 10 класс.Скачать

Окислительно — восстановительный потенциал

Видео:Электрохимический ряд потенциалов. 1 часть. 10 класс.Скачать

Электродные потенциалы. ЭДС реакции

Окислительно — восстановительный потенциал является частным, узким случаем понятия электродного потенциала. Рассмотрим подробнее эти понятия.

В ОВР передача электронов восстановителями окислителям происходит при непосредственном контакте частиц, и энергия химической реакции переходит в теплоту.

Энергия любой ОВР, протекающей в растворе электролита, может быть превращена в электрическую энергию, если, например, окислительно-восстановительные процессы разделить пространственно, т.е. передача электронов восстановителем будет происходить через проводник электричества.

Это реализовано в гальванических элементах, где электрическая энергия получается из химической энергии окислительно-восстановительной реакции.

Видео:Использование таблиц потенциалов и расчет ЭДС реакции. Продукты в ОВР. Ч.5-1.Скачать

Элемент Даниэля-Якоби

Рассмотрим гальванический элемент Даниэля-Якоби, в котором левый сосуд наполнен раствором сульфата цинка ZnSO₄, с опущенной в него цинковой пластинкой, а правый сосуд – раствором сульфата меди CuSO₄, с опущенным в него медной пластинкой.

Взаимодействие между раствором и пластиной, которая выступает в качестве электрода, способствует тому, чтобы электрод приобрел электрический заряд.

Возникающая на границе металл-раствор электролита разность потенциалов, называется электродным потенциалом. Значение и знак (+ или -) электродного потенциала определяются природой раствора и находящегося в нем металла.

При погружении металлов в растворы их солей более активные из них (Zn, Fe и др.) заряжаются отрицательно, а менее активные (Cu, Ag, Au и др.) положительно.

Результатом соединения цинковой и медной пластинки проводником электричества, является возникновение в цепи электрического тока за счет перетекания электронов с цинковой к медной пластинке по проводнику.

При этом происходит уменьшение количества электронов в цинке, что компенсируется переходом Zn 2+ в раствор т.е. происходит растворение цинкового электрода — анода (процесс окисления).

Zn — 2e — = Zn 2+

В свою очередь, рост количества электронов в меди компенсируется разряжением ионов меди, содержащихся в растворе, что приводит к накоплению меди на медном электроде – катоде (процесс восстановления):

Cu 2+ + 2e — = Cu

Таким образом, в элементе Даниэля-Якоби происходит такая реакция:

Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu

Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu

Количественно охарактеризовать окислительно-восстановительные процессы позволяют электродные потенциалы, измеренные относительно нормального водородного электрода (его потенциал принят равным нулю).

Чтобы определить стандартные электродные потенциалы используют элемент, одним из электродов которого является испытуемый металл (или неметалл), а другим является водородный электрод. По найденной разности потенциалов на полюсах элемента определяют нормальный потенциал исследуемого металла.

Видео:4 3 Электрохимический потенциалСкачать

Окислительно-восстановительный потенциал

Значениями окислительно-восстановительного потенциала пользуются в случае необходимости определения направления протекания реакции в водных или других растворах.

2Fe 3+ + 2I — = 2Fe 2+ + I₂

таким образом, чтобы йодид-ионы и ионы железа обменивались своими электронами через проводник.

В сосуды, содержащие растворы Fe 3+ и I — , поместим инертные (платиновые или угольные) электроды и замкнем внутреннюю и внешнюю цепь. В цепи возникает электрический ток.

Йодид-ионы отдают свои электроны, которые будут перетекать по проводнику к инертному электроду, погруженному в раствор соли Fe 3+ :

2I — — 2e — = I₂

2Fe 3+ + 2e — = 2Fe 2+

Процессы окисления-восстановления происходят у поверхности инертных электродов. Потенциал, который возникает на границе инертный электрод – раствор и содержит как окисленную, так восстановленную форму вещества, называется равновесным окислительно-восстановительным потенциалом.

Факторы, влияющие на значение окислительно-восстановительного потенциала

Значение окислительно-восстановительного потенциала зависит от многих факторов, в том числе и таких как:

1) Природа вещества (окислителя и восстановителя)

2) Концентрация окисленной и восстановленной форм.

При температуре 25°С и давлении 1 атм. величину окислительно-восстановительного потенциала рассчитывают с помощью уравнения Нернста:

E – окислительно-восстановительный потенциал данной пары;

E°- стандартный потенциал (измеренный при C_ок = C_вос);

R – газовая постоянная (R = 8,314 Дж);

T – абсолютная температура, К

n – количество отдаваемых или получаемых электронов в окислительно-восстановительном процессе;

F – постоянная Фарадея (F = 96484,56 Кл/моль);

C_ок – концентрация (активность) окисленной формы;

C_вос– концентрация (активность) восстановленной формы.

Подставляя в уравнение известные данные и перейдя к десятичному логарифму, получим следующий вид уравнения:

При C_ок > C_вос, E > E° и наоборот, если C_ок 2- , CrO₄ 2- , MnO₄ — ) при уменьшении pH раствора окислительно-восстановительный потенциал возрастает, т.е. потенциал растет с ростом H + . И наоборот, окислительно-восстановительный потенциал падает с уменьшением H + .

4) Температура

При увеличении температуры окислительно-восстановительный потенциал данной пары также растет.

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы представлены в таблицах специальных справочников. Следует иметь ввиду, что рассматриваются только реакции в водных растворах при температуре ≈ 25°С.

Такие таблицы дают возможность сделать некоторые выводы:

Что можно определить по значению окислительно-восстановительного потенциала

Величина и знак стандартных окислительно-восстановительных потенциалов, позволяют предсказать какие свойства (окислительные или восстановительные) будут проявлять атомы, ионы или молекулы в химических реакциях, например

E°(F₂/2F — ) = +2,87 В – сильнейший окислитель

E°(K + /K) = — 2,924 В – сильнейший восстановитель

Окислительно-восстановительная пара будет обладать тем большей восстановительной способностью, чем больше числовое значение ее отрицательного потенциала, а окислительная способность тем выше, чем больше положительный потенциал.

Возможно определить какое из соединений одного элемента будет обладать наиболее сильным окислительными или восстановительными свойствами.
Возможно предсказать направление ОВР. Известно, что работа гальванического элемента имеет место при условии, что разность потенциалов имеет положительное значение. Протекание ОВР в выбранном направлении также возможно, если разность потенциалов имеет положительное значение. ОВР протекает в сторону более слабых окислителей и восстановителей из более сильных, например, реакция

Sn 2+ + 2Fe 3+ = Sn 4+ + 2Fe 2+

практически протекает в прямом направлении, т.к.

E° (Sn 4+ /Sn 2+ ) = +0,15 В,

E° (Fe 3+ /Fe 2+ ) = +0,77 В,

т.е. E° (Sn 4+ /Sn 2+ ) 3+ /Fe 2+ ).

Cu + Fe 2+ = Cu 2+ + Fe

невозможна в прямом направлении и протекает только справа налево, т.к.

В процессе ОВР количество начальных веществ уменьшается, вследствие чего Е окислителя падает, а E восстановителя возрастает. При окончании реакции, т.е. при наступлении химического равновесия потенциалы обоих процессов выравниваются.

Если при данных условиях возможно протекание нескольких ОВР, то в первую очередь будет протекать та реакция, у которой разность окислительно-восстановительных потенциалов наибольшая.
Пользуясь справочными данными, можно определить ЭДС реакции.

Как определить электродвижущую силу (ЭДС) реакции?

Рассмотрим несколько примеров реакций и определим их ЭДС:

Mg + Fe 2+ = Mg 2+ + Fe
Mg + 2H + = Mg 2+ + H₂
Mg + Cu 2+ = Mg 2+ + Cu

E° (Mg 2+ /Mg) = — 2,36 В

E° (Fe 2+ /Fe) = — 0,44 В

Чтобы определить ЭДС реакции, нужно найти разность потенциала окислителя и потенциала восстановителя

ЭДС = Е 0 _ок — Е 0 _восст

ЭДС = — 0,44 — (- 2,36) = 1,92 В
ЭДС = 0,00 — (- 2,36) = 2,36 В
ЭДС = + 0,34 — (- 2,36) = 2,70 В

Все вышеуказанные реакции могут протекать в прямом направлении, т.к. их ЭДС > 0.

Связь константы равновесия и окислительно — восстановительного потенциала

Если возникает необходимость определения степени протекания реакции, то можно воспользоваться константой равновесия.

Например, для реакции

Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu

Применяя закон действующих масс, можно записать

Здесь константа равновесия К показывает равновесное соотношение концентраций ионов цинка и меди.

Значение константы равновесия можно вычислить, применив уравнение Нернста

Подставим в уравнение значения стандартных потенциалов пар Zn/Zn 2+ и Cu/Cu 2+ , находим

В состоянии равновесия E 0 _Zn/Zn2+ = E 0 _Cu/Cu2+_, т.е.

-0,76 + (0,59/2)lgC_Zn2+ = +0,34 + (0,59/2)lgC_Cu2+, откуда получаем

Значение константы равновесия показывает, что реакция идет практически до конца, т.е. до того момента, пока концентрация ионов меди не станет в 10 37,7 раз меньше, чем концентрация ионов цинка.

Константа равновесия и окислительно-восстановительный потенциал связаны общей формулой:

lgK = (E₁ 0 -E₂ 0 )n/0,059, где

K — константа равновесия

E₁ 0 и E₂ 0 – стандартные потенциалы окислителя и восстановителя соответственно

n – число электронов, отдаваемых восстановителем или принимаемых окислителем.

Если E₁ 0 > E₂ 0 , то lgK > 0 и K > 1.

Следовательно, реакция протекает в прямом направлении (слева направо) и если разность (E₁ 0 — E₂ 0 ) достаточно велика, то она идет практически до конца.

Напротив, если E₁ 0 0 , то K будет очень мала.

Реакция протекает в обратном направлении, т.к. равновесие сильно смещено влево. Если разность (E₁ 0 — E₂ 0 ) незначительна, то и K ≈ 1 и данная реакция не идет до конца, если не создать необходимых для этого условий.

Зная значение константы равновесия, не прибегая к опытным данным, можно судить о глубине протекания химической реакции. Следует иметь ввиду, что данные значений стандартных потенциалов не позволяют определить скорость установления равновесия реакции.

По данным таблиц окислительно-восстановительных потенциалов возможно найти значения констант равновесия примерно для 85000 реакций.

Как составить схему гальванического элемента?

Приведем рекомендации ИЮПАК, которыми следует руководствоваться, чтобы правильно записать схемы гальванических элементов и протекающие в них реакции:

ЭДС элемента — величина положительная, т.к. в гальваническом элементе работа производится.
Значение ЭДС гальванической цепи – это сумма скачков потенциалов на границах раздела всех фаз, но, учитывая, что на аноде происходит окисление, то из значения потенциала катода вычитают значение потенциала анода.

Таким образом, при составлении схемы гальванического элемента слева записывают электрод, на котором происходит процесс окисления (анод), а справа – электрод, на котором происходит процесс восстановления (катод).

Граница раздела фаз обозначается одной чертой — |
Электролитный мостик на границе двух проводников обозначается двумя чертами — ||
Растворы, в которые погружен электролитный мостик записываются слева и справа от него (если необходимо, здесь же указывается концентрация растворов). Компоненты одной фазы, при этом записываются через запятую.

Например, составим схему гальванического элемента, в котором осуществляется следующая реакция:

Fe 0 + Cd 2+ = Fe 2+ + Cd 0

В гальваническом элементе анодом является железный электрод, а катодом – кадмиевый.

Анод Fe 0 |Fe 2+ || Cd 2+ |Cd 0 Катод

Типичные задачи на составление схем гальванического элемента и вычисление ЭДС реакции с решениями вы найдете здесь.