Стандартный водородный электрод. Измерение электродных потенциалов металлов. Уравнение Нернста.

ХИМИЯ

 

 

Методические указания к практическим занятиям и самостоятельной работы студентов всех специальностей

 

 

Гальванические элементы

Коррозия металлов

 

 

Могилев 2008

УДК 54

ББК 24.1

Х 65

Рекомендовано к опубликованию

Учебно-методическим управлением

ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет»

 

Одобрено кафедрой «Технологии металлов» «30» мая 2008 г., протокол № 10

 

Составитель: ст. преподаватель Н. Л. Николаева

 

Рецензент: канд. биол. наук, доцент Н.О. Мартусевич

 

 

В методических указаниях раскрыто содержание тем «Гальванические элементы» и «Коррозия металлов». Вниманию студентов предложены основные понятия и законы данных тем, приведены примеры написания электродных процессов, составления схем работы гальванических элементов. Так же рассмотрены примеры решения некоторых задач и даны контрольные вопросы и упражнения.

 

Учебное издание

ХИМИЯ

 

Ответственный за выпуск Г. Ф. Ловшенко

Технический редактор А. А. Подошевко

Компьютерная верстка

 

 

Подписано в печать. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.

Печать трафаретная. Усл. печ. л.. Уч.-изд. л.. Тираж 265 экз. Заказ № ________

 

Издатель и полиграфическое исполнение

Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Белорусско-Российский университет»

ЛИ № 02330/375 от 29.6.2004 г.

212030, г.Могилев, пр.Мира, 43

 

 

ã ГУ ВПО Белорусско-Российский

университет, 2008

 

Гальванические элементы

Все химические реакции, в которых электроны переходят от одного вещества или его части (восстановителя) к другому веществу или к другой части одного и того же вещества (окислителю), называются окислительно-восстановительными, или редокспроцессами.

Если же процессы окисления и восстановления пространственно разделить, то любую окислительно-восстановительную реакцию можно использовать для получения электрической энергии. Устройства для получения электрической энергии за счет окислительно-восстановительных процессов, называют химическими источниками тока (ХИТ). Простейший ХИТ – гальванический элемент.

1.1 Механизм возникновения электродного потенциала.

Система, состоящая из металла, погруженного в раствор электролита, называется электродом. В узлах металлической кристаллической решетки располагаются положительно заряженные ионы, находящиеся в равновесии со свободными электронами. При погружении металла (Ме) в раствор начинается взаимодействие поверхностных ионов металла (Me ⁿ⁺), находящихся в узлах решетки, с полярными молекулами воды, ориентированными у поверхности электрода. При этом ионы металла переходят из металлической фазы в раствор.

В результате между металлом и раствором устанавливается равновесие:

Me + mH₂O Me ⁿ⁺ ∙m H₂O + nē,

в растворе на металле

где n – число электронов, принимающих участие в процессе.

Если преобладает переход ионов из металлической фазы в раствор, то раствор приобретает положительный заряд (рисунок 1, а), а металлический электрод заряжается отрицательно. Если при установлении контакта металл – раствор скорость перехода катионов из металла в раствор была меньше, чем скорость их перехода в обратном направлении, то между электродом и раствором также устанавливается равновесие, но в этом случае электрод заряжается положительно, а раствор – отрицательно (рисунок 1, б).

Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла. В любом случае появляется двойной электрический слой, характеризующийся определенным скачком потенциала.

Потенциал, устанавливающийся в условиях равновесия электродной реакции, называется равновесным электродным потенциалом. В настоящее время абсолютные значения электродных потенциалов на границе двух фаз разной природы металл│электролит экспериментально определить невозможно. Однако можно определить разность электродных потенциалов.

Поэтому для характеристики электродных процессов пользуются относительными значениями электродных потенциалов.

 

а) б) в)

Рисунок 1 – Схема двойного электрического слоя (а) и (б); распределение заряда в объеме электролита (в)

Стандартный водородный электрод. Измерение электродных потенциалов металлов. Уравнение Нернста.

Значения электродных потенциалов определяются относительно некоторого электрода, потенциал которого условно принят за нулевой. Таким эталонным электродом выбран водородный в стандартных условиях.

Стандартный водородный электрод состоит из стеклянного сосуда, заполненного 2Н (двунормальным) раствором H₂SO₄, в котором активность ионов Н⁺ равна единице 1 (1 моль/л). В этот раствор погружен электрод из платины, покрытый мелкодисперсной платиновой чернью для увеличения поверхности. При использовании водородного электрода через раствор H₂SO₄ пропускают химически чистый газообразный водород под давлением 100 кПа при T = 298 K (рисунок 2).

Боковая трубка с краном также заполнена раствором серной кислоты и служит для соединения водородного электрода с другим электродом. 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. Адсорбированный водород, взаимодействуя с молекулами воды, переходит в раствор в виде ионов, оставляя в пластине электроны.

При этом пластина заряжается отрицательно, а раствор положительно. Возникает скачек потенциала между пластиной и раствором. Наряду с переходом ионов в раствор идет обратный процесс восстановления ионов Н⁺ с образованием молекул водорода. Равновесие на электродном водороде можно представить в виде:

Н₂ = 2Н⁺ + 2ē.

Потенциал водородного электрода воспроизводится с очень высокой точностью. Поэтому водородный электрод и принят в качестве эталона при создании шкалы электродных потенциалов.

Рисунок 2 – Рисунок 3 – Установка для определения

Стандартный водородный электрод электродных потенциалов

Для определения потенциала того или иного электродного процесса нужно составить гальванический элемент из испытуемого и стандартного водородного электродов и измерить его напряжение (рисунок 3). Поскольку потенциал стандартного водородного электрода равен нулю, то измеренное напряжение будет представлять собою потенциал данного электродного процесса.

Таким образом, стандартным электродным потенциалом Е⁰ металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор, в котором концентрация (или активность) собственных ионов равна 1 моль/л, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при 298 К условно принимается равным нулю.

Величина возникающего в результате этого процесса электродного потенциала определяется по уравнению Нернста:

,

где – электродный потенциал;

– стандартный электродный потенциал;

R – газовая постоянная;

Т – температура;

F – число Фарадея;

n – число электронов, участвующих в электронной реакции;

а – активная концентрация ионов металла в растворе.

Потенциал электрода, как видно из этого уравнения, зависит от активности (концентрации) ионов металла, которые являются потенциалопределяющими, от природы электролита, от природы электрода, от заряда иона и от температуры.

Перейдя от натуральных логарифмов к десятичным и подставив численные значения F, R и T = 298 K, а так же заменив активность на молярную концентрацию, получим удобную для расчетов форму уравнения Нернста:

.