Стандартные электродные потенциалы металлов. Ур Нернста.

Русский ученый Бекетов изучал действие различных металлов на разбавленные кислоты и воду и заметил, что наиболее активно ведут себя щелочные металлы.

Существует вытеснительный ряд металлов:

К, Na, Са, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb,H₂, Cи, Hg, Ag, Au.

Все металлы, стоящие в этом ряду левее водорода, вытесняют водород из разбавленных кислот.

Современное название этого ряда - «Электрохимический ряд напряжений», так как положение каждого металла в этом ряду определяется величиной так называемого электродного потенциала. (Напомним, что электрическим потенциалом называют величину, соответствующую энергии, которую нужно затратить (положительный потенциал) или которую можно получить (отрицательный потенциал) при переносе единицы электричества из бесконечности в данную точку).

Если погрузить пластинку металла в воду, то под действием полярных молекул воды часть катионов перейдет в жидкость, а электроны останутся на пластинке металла, в результате чего металл зарядится отрицательно.

Катионы, перешедшие в жидкость, располагаются вблизи поверхности отрицательно заряженной пластинки металла, в результате чего образуется двойной электрический слой (Вода положительно (+), а метал -)

Под действием двух противоположно направленных сил (электростатического притяжения со стороны металла и теплового движения) имеет диффузное строение, т.е. он проникает в жидкость на некоторую глубину.

На месте соприкосновения жидкости с металлом возникает определенная разность потенциалов (так называемый скачок потенциала). Ясно, что чем активнее металл, тем легче будут диссоциировать его атомы под действием полярных молекул воды и тем, следовательно, большим будет отрицательный заряд металла, что, в свою очередь, обусловит бǿльшую разность потенциалов на границе металл – жидкость.

Процесс перехода ионов металла в жидкость является обратимым процессом. Поэтому, если погрузить пластинку металла не в воду, а в раствор соли этого металла, то равновесие будет смещено: из металла в раствор будет переходить меньше ионов и разность потенциалов на границе металл-раствор будет несколько иной, чем в первом случае.

Разность потенциалов, возникающую между металлом и раствором его соли, называют электродным потенциалом.

Величина электродного потенциала определяется прежде всего природой металла и раствора. Кроме того, она зависит от температуры, концентрации раствора и других факторов. С тандартным электродным потенциалом называется электродный потенциал при концентрации (точнее, активности) иона металла, равной единице, т.е. 1моль/л.

Абсолютное значение электродного потенциала измерить невозможно. В качестве стандартного электрода сравнения используют так называемый водородный электрод. «Водородный электрод» состоит из платиновой пластинки, погруженной в раствор серной кислоты с концентрацией ионов водорода 1моль/л.

Если пластинку металла, погруженную в раствор его соли с концентрацией иона металла 1 моль/л, соединить электролитическим ключом с водородным электродом, то получится гальванический элемент, ЭДС которого будет являться числовым значением стандартного электродного потенциала данного металла при температуре измерения.

Величина потенциала металла зависит от температуры и от концентрации ионов металла в растворе. Математически эта зависимость определяется уравнением Нернста:

φ = φ^о + InC,

где φ – потенциал металла при данной концентрации его ионов, В;

φ^о- стандартный электродный потенциал металла, В; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль К); Т–абсолютная температура, К; F-число Фарадея, равное 96500 Кл/моль е; n-число молей электронов, участвующих в процессе; С – концентрация ионов металла в растворе, моль/л.