Электродный потенциал это простыми словами

Электродный потенциал

Электро́дный потенциа́л — разность электрических потенциалов между электродом и находящимся с ним в контакте электролитом (чаще всего между металлом и раствором электролита).

Возникновение электродного потенциала обусловлено переносом заряженных частиц через границу раздела фаз, специфической адсорбцией ионов, а при наличии полярных молекул (в том числе молекул растворителя) — ориентационной адсорбцией их. Величина электродного потенциала в неравновесном состоянии зависит как от природы и состава контактирующих фаз, так и от кинетических закономерностей электродных реакций на границе раздела фаз.

Равновесное значение скачка потенциалов на границе раздела электрод/раствор определяется исключительно особенностями электродной реакции и не зависит от природы электрода и адсорбции на нём поверхностно-активных веществ. Эту абсолютную разность потенциалов между точками, находящимися в двух разных фазах, нельзя измерить экспериментально или рассчитать теоретически.

Измерение потенциалов

Практическое значение имеют относительные электродные потенциалы, обычно называемые просто электродные потенциалы, представляющие собой разность электродных потенциалов рассматриваемого электрода и электрода сравнения — чаще всего нормального водородного электрода, электродный потенциал которого условно принимается равным нулю (для водных систем).

Способы устранения омической составляющей при измерении

Трёхэлектродная схема

• Компенсационная схема
• Трёхэлектродная схема

Что такое электродный потенциал

Потенциал электрода или электродный потенциал металла — это разность потенциалов, которая возникает на границе раздела фаз металл-раствор при погружении металла в раствор электролита в результате взаимодействия поверхностных ион-атомов металла, находящихся в узлах кристаллической решетки, с полярными молекулами воды, ориентированными у поверхности электрода. Это связано с образованием двойного электрического слоя, то есть несимметричного распределения заряженных частиц у границы раздела фаз.

Явления растворения металлов в электролитах используются в химических источниках электроэнергии. Металлическая пластина, опушенная в раствор своей же соли, в той или иной мере стремится в ней раствориться. Это стремление иногда называется упругостью растворения металла.

Цинковая пластина, опущенная в раствор сернокислого цинка Zn SO₄ , отдает в раствор частицы цинка в виде положительно заряженных ионов. Вследствие того, что атомы пинка уходят в виде положительно заряженных ионов, на цинковой пластине образуется избыток свободных электронов и она заряжается отрицательно, а в слое жидкости вблизи поверхности цинка образуется избыток положительных ионов и, следовательно, этот слой заряжается положительно. Таким путем на границе жидкости и металла возникает двойной электрический слой из пространственно разделенных зарядов противоположного знака.

Эти заряды будут противодействовать дальнейшему переходу металла в раствор — отрицательные пластины удерживают положительный ион металла, а положительный заряд электролита отталкивает ион металла назад на пластину. Иными словами, электрическое поле двойного слоя на границе металл — жидкость противодействует дальнейшему переходу ионов металла в раствор. Устанавливается равновесие между химическими по своей природе силами стремления металла перейти в раствор и электрическими силами, им противодействующими.

Схема образования двойного электрического слоя на границе металла и электролита

Таким образом, вследствие растворения в электролите металлический электрод приобретает по отношению к электролиту определенный электродный (иначе электрохимический) потенциал, зависящий от материала электрода и состава электролита.

Однако электродные потенциалы могут иметь положительное значение. Это имеет место в тех случаях, когда положительные ионы раствора переходят на электрод, заряжая его положительно, а слой электролита — отрицательно, например, когда медная пластина погружена в достаточно концентрированный раствор сернокислой меди (CuSO₄).

Двойной электрический слой можно уподобить конденсатору, одна из обкладок которого представляет собой поверхность металла, а другая — слой ионов в растворе у поверхности металла. Между разноименно заряженными обкладками и возникает разность, или скачок, потенциала.

Скачок потенциала на границе электрод-раствор может служить мерой окислительно-восстановительной способности системы. Однако невозможно произвести измерение такого скачка потенциала или, что то же, разности потенциалов между двумя фазами. Но можно произвести измерение э. д. с. элементов, составленных из интересующих нас электродов и какого-нибудь одного (одинакового во всех случаях) электрода, потенциал которого условно принят за нуль.

Измеренная э. д. с. будет характеризовать окислительно-восстановительную способность интересующего нас электрода относительно некоторого условного нуля. Полученная таким способом величина называется собственным потенциалом металла.

Чтобы измерить электродный потенциал любого металла, необходимо поместить в электролит второй электрод, который и свою очередь будет обладать определенным электродным потенциалом, зависящим от его материала. Следовательно, непосредственно измерить можно только алгебраическую сумму двух электродных потенциалов.

По этой причине электродные потенциалы различных материалов определяются по отношению к стандартному (водородному электроду, потенциал которого условно принимают за нуль.

Для измерения могут применяться и другие электроды сравнения, потенциал которых относительно водородного стандартного электрода известен. Этот потенциал также находят на основании измерения э. д. с. цепи, составленной из выбранного электрода сравнения и стандартного водородного электрода.

Если изучаемый электрод в паре со стандартным водородным электродом является отрицательным, то собственному потенциалу приписывается знак «-«, в противном случае — знак «+».

Например, измеренный таким образом в растворе соответствующей соли металла электродный потенциал цинка -0,76 В, меди +0,34 В, серебра +0,8 В. Э. д. с, которую дает элемент, определяется вычитанием потенциала более отрицательного из потенциала более положительного.

Если в соответствующий электролит помещены две пластины из металлов, имеющих различный электродный потенциал, например, в раствор серной кислоты (H₂SO₄) помещены цинковая (Zn) и медная (С u ) пластины, то вольтметр, присоединенный к этим пластинам, покажет между ними напряжение немного более 1 В.

Это напряжение, называемое в данном случае э. д. с. гальванической пары, будет обусловлено разностью электродных потенциалов меди, обладающей небольшим положительным потенциалам, и цинка, обладающего значительным отрицательным потенциалом. Такое устройство является простейшим гальваническим элементом — элементом Вольта.

В гальваническом элементе происходит превращение химической энергии в электрическую и с его помощью можно совершить электрическую работу за счет энергии химической реакции.

Измерение э. д. с. гальванических элементов необходимо производить при отсутствии тока в цепи элемента. В противном случае измеренная э. д. с. будет меньше, чем величина, определяемая как разность равновесных потенциалов обоих электродов. Действительно, равновесному потенциалу отвечает определенная концентрация электронов на электродах: на более положительном она ниже, на более отрицательном выше. Сообразно с этим различно и строение той части двойного слоя, которая расположена в растворе.

Измерение э. д. с. элемента без протекания тока обычно производится компенсационным методом. Для осуществления его необходимо иметь некоторый эталон э. д. с. Таким эталоном служит так называемый нормальный элемент. Чаще всего пользуются ртутно-кадмиевым нормальным элементом Вестона, э. д. с. которого равна 1,01830 В при 20 °С.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Электродный потенциал это простыми словами

СТАНДАРТНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ (нормальный потенциал), значение электродного потенциала, измеренное в стандартных условиях относительно выбранного электрода сравнения (стандартного электрода). Обычно стандартные потенциалы находят в условиях, когда термодинамич. активности а всех компонентов потенциалопределяющей р-ции, протекающей на исследуемом электроде, равны 1, а давление газа (для газовых электродов) равно 1,01 · 10 5 Па (1 атм). Для водных р-ров в качестве стандартного электрода используют водородный электрод (Pt; H 2 [1,01·10 5 Па], Н + [a=1]), потенциал к-рого при всех т-рах принимается равным нулю (см. Электроды сравнения): стандартный потенциал равен эдс электрохимической цепи, составленной из исследуемого и стандартного электродов. Согласно рекомендациям ИЮПАК (1953), при схематич. изображении цепи (гальванич. ячейки) водородный электрод всегда записывается слева, исследуемый-справа. Потенциал исследуемого электрода считается положительным, если в режиме «источник тока» слева направо во внеш. цепи движутся электроны, а в р-ре — положительно заряженные частицы. Напр., стандартный потенциал хлорсеребряного электрода равен эдс гальванич. ячейки

-Pt, Н 2 [1,01·10 5 Па]|НС1(а b =l)|AgCl, Ag|Pt +

Для любой электродной р-ции, включающей перенос n электронов, электродный потенциал определяется ур-нием:

где Е°-стандартный потенциал электрода, R-газовая постоянная, Т-абс. т-ра, F- постоянная Фарадея, а i -термодинамич. активность частиц (как заряженных, так и незаряженных), участвующих в электродной р-ции, v i -стехиометрич. коэффициенты (положит. числа для продуктов р-ций и отрицат. числа для исходных в-в, если при записи стехиометрич. ур-ния элек-трохим. процесса электроны входят в левую часть ур-ния, напр. AgCl + е : Ag + С1 — ). Значения стандартных потенциалов для ряда электродных процессов в водной среде приведены в таблице в порядке убывания окислит. способности соответствующих систем. Стандартные потенциалы металлов и водорода, расположенные в порядке их возрастания, составляют электрохимический ряд напряжений.

С тандартный потенциал определяется либо непосредственными измерениями эдс соответствующих электрохим. цепей с экстраполяцией на бесконечно разб. р-ры, либо расчетом — по данным о стандартных значениях изменения энергии Гиббса хим. р-ции D G 0 . В последнем случае р-цию представляют в виде суммы двух (или более) электродных р-ций, одна из к-рых -окис-лит.-восстановит. р-ция с искомым стандартным потенциалом , а другая-с известным стандартным потенциалом .. Если в условной схеме ячейки 1-й электрод записан слева, то

Из ур-ния следует, что стандартные потенциалы, в свою очередь, м.б. использованы для расчета D G 0 и константы равновесия К р-ции (ln К = — D G°/RT). Значения E 0 , рассчитанные на основе значений D G 0 , представлены в таблице; они далеко не всегда м. б. реализованы в электрохим. цепях из-за того, что предполагаемое равновесие электродной р-ции в действительности может не устанавливаться (это характерно для щелочных, щел.-зем. металлов и большинства орг. в-в в водных р-рах).

В неводных р-рителях стандартные потенциалы также определяют по отношению к потенциалу водородного электрода для каждого отдельного р-рителя. Ведется поиск стандартного электрода, потенциал к-рого можно было бы считать практически не зависящим от природы р-рителя, что позволило бы создать единую шкалу электродных потенциалов. В качестве таких электродов предложены системы: рубидий/ион рубидия, ферроцен/ферроциний-катион и бис(дифенил)хром(I)/ /бис(дифенил)хром(0), потенциалы к-рых из-за большого размера ионов и соотв. малой их сольватации незначительно (по сравнению с потенциалом водородного электрода) зависят от природы р-рителя. Последние два электрода рекомендованы в 1984 ИЮПАК в качестве электродов сравнения в неводных орг. средах.

Выбор электрода сравнения и стандартного состояния исследуемого электрода в системах с расплавами и твердым электролитом в большой мере определяется природой как исследуемого электродного процесса, так и ионного проводника. В широко используемых в качестве электролитов расплавах хлоридов металлов стандартный потенциал берется в хлорной шкале, т. е. в качестве стандартного пользуются хлорным электродом в расплавленном хлориде (графит, Сl 2 [1,01 · 10 5 Па], MC1 z [расплав]), где М-металл (на практике обычно берут смесь хлоридов металла). Активность катионов М z + в индивидуальном расплаве принимается равной 1. В ряде высокотемпературных гальванич. элементов с твердым электролитом в качестве электрода сравнения применяют оксидные электроды, в частности вюститовый (Pt; Fe, FeO).

Лит.: Электрохимия металлов в неводных растворах, пер. с англ., М., 1974; Методы измерения в электрохимии, т. 1, пер. с англ., М., 1977; Шаталов А. Я., Введение в электрохимическую термодинамику, М., 1984; Дамаскин Б. Б., Петрий О. А., Электрохимия, М., 1987; Standard Potentials in aqueous solution, ed. by A.J. Bard, N.Y.-Basel, 1985. Б.И. Подловченко.

Электродный потенциал это простыми словами

Глава 5. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

5.1. Теоретическая часть

Электрохимические процессы, как и окислительно-восстановительные реакции (ОВР), связаны с изменением степени окисления веществ, участвующих в реакции. Основное отличие ОВР от электрохимических процессов заключается в том, что процессы восстановления и окисления пространственно разделены и перенос электронов может быть зафиксирован как некоторый ток (в гальваническом элементе, при коррозии) или, наоборот, электрохимический процесс может происходить за счет внешнего источника тока (электролиз).

В любом случае для протекания электрохимической реакции необходима электрохимическая цепь, существенными компонентами которой являются электроды и электролит (водный или неводный).

Под электродами обычно понимают или собственно некий проводник или систему, состоящую из проводника, погруженного в раствор электролита. При контакте металлического проводника с раствором электролита на его поверхности возникает некий заряд, за счет переноса электронов, что приводит к возникновению разности электростатических потенциалов между электродом и находящимся с ним в контакте электролитом. Эта разность называется электродным потенциалом.

Абсолютную величину электродного потенциала отдельного электрода измерить невозможно, поэтому измеряют всегда разность потенциалов исследуемого электрода и некоторого стандартного электрода сравнения, т.е. составляют электрохимическую цепь. В качестве электродов сравнения для водных сред используют хлорсеребряный или обратимый водородный электрод сравнения. Последний представляет собой платинированную (электрохимическим способом осажденную на платиновую пластину) платину, погруженную в раствор кислоты (серной, соляной) с активностью ионов водорода равной 1, через который продувают водород при давлении 101кПа. В системе устанавливается равновесие

Потенциал этого равновесия в указанных условиях принят равным нулю при любых температурах.

Табличные значения стандартных электродных потенциалов (E o ) приведены относительно обратимого водородного электрода. Эти значения нормированы на один электрон и их относят к процессу восстановления:

В практических работах в качестве электрода сравнения чаще, чем водородный, используют хлорсеребряный электрод. Хлорсеребряный электрод представляет собой серебряную проволоку, электролитически покрытую AgCl, помещенную в насыщенный раствор KCl.

Стандартные электродные потенциалы металлов и водорода, расположенные в порядке их возрастания, составляют ряд стандартных электродных потенциалов металлов, или электрохимический ряд напряжений металлов. Ряд электродных потенциалов дает полезные знания:

1.Металлы, имеющие значения электродного потенциала меньше, чем у водорода, могут растворяться с выделением водорода в кислотах, анионы которых не являются окислителями.

2.Металлы, имеющие большее, чем у водорода, значение стандартного электродного потенциала могут встречаться в природе в самородном виде.

3.Металлы, имеющие меньшее значение электродного потенциала могут вытеснять металлы с большим значением электродного потенциала из растворов их солей.

4.Металлы, имеющие электродный потенциал меньше, чем потенциал реакции

2H₂O + 2e = H₂ + 2OH — E o = –0,83В

в стандартных условиях могут растворяться в воде с выделением водорода.

Под гальваническим элементом понимают единичные ячейки химических источников тока, предназначенных для однократного электрического разряда. Гальванический элемент представляет собой два электрода различной природы и электролит. Максимальная разность потенциалов этих электродов в отсутствие электрического тока называется электродвижущей силой (э.д.с.) гальванического элемента. Э.д.с. может быть рассчитана как разность равновесных потенциалов этих электродов.

Для гальванического элемента, составленного из железного и медного электродов э.д.с. будет равна:

Fe 2+ + 2e =Fe E o = –0,44

Cu 2+ +2e=Cu E o =+0,34

э.д.с. =+ 0,34 – ( –0,44) =0,77В,

Зависимость электродного потенциала от концентраций дает уравнение Нернста.

E= E o +lg

Электролиз – совокупность электрохимических окислительно-восстановительных реакций, проходящих при прохождении электрического тока через электролит, с погруженными в него электродами.

При электролизе растворов нужно учитывать возможность разряда на электродах нейтральных молекул растворителя – воды:

2H₂O + 2e = H₂ + 2OH – ( E о = –0,83В)

Возможность протекания электродной реакции разряда ионов металла или молекул воды определяется значением электродного потенциала. Если стандартный электродный потенциал реакции разряда металла

Ме n+ + ne = Me (5.1)

имеет положительное значение, то в стандартных условиях на катоде будет выделяться металл. Если Е о реакции (5.1) меньше, чем потенциал реакции разряда воды (–0,83В), то на катоде выделяется только водород. В остальных случаях параллельно протекают оба процесса.

Например, при электролизе раствора CuSO4

на катоде выделяется медь. На аноде выделяется кислород, а в растворе накапливается кислота.

Коррозией называется процесс самопроизвольного разрушения металлов под влиянием внешней среды. Коррозия – окислительно-восстановительная реакция, сопровождающаяся переходом металла в ионное состояние.

Разрушение металла при соприкосновении с электролитом с возникновением в системе электрического тока называется электрохимической коррозией.

В атмосферных условиях роль электролита играет водяная пленка на металлической поверхности, в которой растворены электропроводящие примеси. Электродами являются сам металл и содержащиеся в нем примеси. В таком гальваническом элементе примеси, имеющие большее значение электродного потенциала играют роль катода, а сам металл является анодом. На катоде обычно выделяется водород из молекул или ионов среды, а анод растворяется, т.е. подвергается коррозии. Например, при контакте железа с медью в растворе соляной кислоты образуется гальванический элемент:

Fe|Fe 2+ , HCl, Cu 2+ |Cu+

На аноде Fe –2e = Fe 2+ ,

На катоде (Cu) 2H + + 2e = H₂

Суммарная реакция Fe + 2H + = H₂ + Fe 2+ ,

Если реакция проходит в атмосферных условиях в воде, процесс усложняется другим процессом, связанным с растворенным в электролите кислородом, который на катоде может участвовать в реакции, именуемой кислородной деполяризацией катода

В этом случае ионы железа соединяются с перешедшими в раствор ионами OH — и окисляются кислородом воздуха,

Fe 2+ + 2OH – = Fe(OH)2

Последний частично отщепляет воду

Полученное вещество примерно отвечает составу бурой ржавчины.

По характеру защитного действия против электрохимической коррозии различают анодные и катодные покрытия. К анодным относят такие покрытия, в которых покрывающий металл обладает более отрицательным потенциалом, чем защищаемый (оцинкованное железо). К катодным относятся покрытия металлом с большим значением электродного потенциала (луженое, т.е. покрытое оловом железо). Пока слой, покрывающий основной металл, полностью изолирует его от воздействия окружающей среды, принципиального различия между этими видами покрытый нет. При нарушении целостности покрытия создаются совершенно различные условия. Катодное покрытие престает защищать и усиливает своим присутствием коррозию. Анодное покрытие будет само подвергаться разрушению, продолжая защищать основной металл.

Для защиты металлов от коррозии часто химическим или электрохимическим путем формируют на его поверхности защитную оксидную пленку. Для алюминия используют электрохимический способ: анодирование. Для железа, применяют, например, кипячение в растворе солей фосфорной кислоты или в азотной кислоте.

5.2.1. Цель работы

Изучение и сопоставление восстановительных свойств металлов

1 М HCl, 1M KOH (NaOH), 1 М растворы сульфатов (нитратов) алюминия, цинка, железа(II), олова (II), свинца (II), меди (II), серебра, пластинки цинка, алюминия, железа, свинца, меди, олова, магния, железная проволока

5.2.4.Порядок выполнения эксперимента

Опыт 1. Взаимодействие металлов с водой и кислотой

1) Налейте в 5 пробирок по 2 –3 мл 1 М HCl и поместите в них пластинки цинка, алюминия, железа, свинца, меди, предварительно очищенные наждачной бумагой. Отметьте наблюдаемое сразу после внесения металлов в пробирки и через некоторое время. Результаты занесите в табл.5.1.

2) Налейте в другие 5 пробирок по 2 –3 мл дистиллированной воды и поместите в них пластинки цинка, алюминия, железа, свинца, меди, предварительно очищенные наждачной бумагой. Отметьте наблюдаемое сразу после внесения металлов в пробирки и через некоторое время. Результаты занесите в табл.5.1.

3)Налейте в 5 пробирок по 1 мл дистиллированной воды и 1мл 1М КОН и поместите в них пластинки цинка, алюминия, железа, свинца, меди, предварительно очищенные наждачной бумагой. Отметьте наблюдаемое сразу после внесения металлов в пробирки и через некоторое время. Результаты занесите в табл.5.1.

Таблица 5.1.

1. Опишите наблюдаемое
2. Объясните результаты наблюдений с помощью ряда электродных потенциалов.
3. Напишите уравнения реакций

Опыт 2. Сопоставление восстановительных свойств металлов в реакциях с растворами солей

1) Налейте в отдельные пробирки по 2 –3 мл растворов 1 М сульфатов (нитратов) алюминия, цинка, железа(II), олова (II), свинца (II), меди (II), серебра и поместите в каждую из них предварительно зачищенные наждачной бумагой пластинки алюминия.

2) В другую серию пробирок с 2 –3 мл растворов 1 М сульфатов (нитратов) алюминия, цинка, железа(II), олова (II), свинца (II), меди (II), серебра поместите предварительно зачищенные наждачной бумагой пластинки железа.
(Примечание:о чистить пластинку металла от оксидной пленки можно поместив ее на несколько минут в 1М HCl и затем быстро тщательно промыв дистиллированной водой поместить в испытуемый раствор.)

3) Аналогичную серию повторите с цинком и медью. Результаты наблюдений в опытах занесите в таблицу 5.1. Отметьте минусами те колонки, где не наблюдается реакция.

1. Напишите уравнения реакций.
2. Расположите металлы в последовательности уменьшения восстановительной способности. В полученном ряду металлов над каждым из них напишите табличные значения стандартных электродных потенциалов. Отметьте характер изменения значений потенциалов в вашем ряду. Обоснуйте сделанные вами наблюдения с помощью величин стандартных электродных потенциалов.

5.3.1. Цель работы

Определение зависимости электродного потенциала от рН и концентрации; определение эдс гальванического элемента

5.3.3. Приборы, оборудование.

Стакан на 100 мл, цилиндры на 10 и 25 мл, анализатор ЭКСПЕРТ 001 , платиновый электрод, хлорсеребряный электрод, рН-метр

5.3.4.Порядок выполнения работы

Опыт 3. Определение зависимости электродного (окислительно-восстановительного) потенциала пероксида водорода от рН.

Внимание! Избегайте попадания концентрированного пероксида водорода на кожу!

а) Отмерьте цилиндром 5мл 5% H₂O₂, добавьте 20 мл дистиллированной воды и перенесите в стакан на 50–100мл.
С помощью рН-метра измерьте рН и внесите результат в таблицу 5.2
В стакан поместите платиновый и хлорсеребряный электроды, подсоединенные к анализатору ЭКСПЕРТ 001-1. Электроды должны быть погружены в раствор.
Измерьте значение э.д.с. (показание прибора) и внесите результат в таблицу 5.2

Платина является катализатором разложения пероксида водорода, поэтому идет реакция H₂O₂ — 2e = O₂ + 2H + E o = +0,68 В

После измерения э.д.с. тщательно ополосните электроды в стакане с дистиллированной водой, не вынимая их из штатива, и затем промокните фильтровальной бумагой. Эту процедуру следует повторять после каждого измерения э.д.с..

б) Отмерьте цилиндром 5 мл 5% H₂O₂, прилейте 5 мл 1 М серной кислоты добавьте дистиллированной воды до общего объема 25 мл и перенесите в другой стакан. Измерьте рН. Измерьте значение э.д.с. и внесите результаты в таблицу 5.2

в) То же самое, но вместо 5 мл возьмите 20 мл H₂SO₄.

г).д.) то же, что в б) и в), но вместо кислоты возьмите KOH

Таблица 5.2