Стислі теоретичні відомості. Різниця електричних потенціалів виникає на межі метал-розчин

Різниця електричних потенціалів виникає на межі метал-розчин. Так, метал занурений в розчин електроліту представляє собою струмопровідну систему, яку в електрохімії називають електродом. Виникнення різниці потенціалів на межі метал-розчин забезпечують електрохімічні перетворення, які отримали назву електродних процесів. Механізм цих процесів заключається в слідуючому: кришталева решітка металів утворена катіонами між якими рухаються електрони. В розчині солі цього метала в результаті її дисоціації знаходяться катіони металу. При взаємодії метала з розчином іони кришталевої решітки притягуються полярними молекулами води і переходять в розчин, який заряджається позитивно, а метал в якому з’явився надлишок електронів заряджається негативно. Між металом і розчином установлюється різниця потенціалів, яка має назву електродний потенціал. Негативний заряд металу заважає подальшому переходу іонів в розчин і викликає зворотній процес – переходу катіонів із розчину в метал. При рівновагі швидкості цих протилежно направлених процесів в системі установлюється динамічна рівновага при якій число іонів, які переходять із металу в розчин, дорівнюють числу іонів які перейшли з розчину в метал. Катіони металу, які знаходяться в розчині під дією сил електростатичного тяжіння концентруються біля поверхні металу, утворюючи подвійний електричний шар. Електростатичному тяжінню протидіють сили взаємного відштовхування катіонів та їх тепловий рух, тому подвійний електричний шар має дифузійну будову, концентрація катіонів в ньому зменшується по мірі віддалення від поверхні метала.

Гальванічний елемент, в якому джерелом енергії є не хімічна реакція, а робота вирівнювання іонів називається концентраційним. Він складається з двох однакових електродів, занурених в розчини з різною концентрацією іонів.

Наприклад:

 

Сu | CuSO₄ ½½CuSO₄ ½ Сu, або Ag | AgNO₃ ½½ AgNO₃ | Ag,

а₁ а₂ а₁ а₂

де, a₁ < а₂

 

Електрод, який знаходиться в більш розбавленому розчині, розчиняється та його іони переходять у розчин. Сам електрод при цьому заряджується негативно. На електроді, зануреному в більш концентрований розчин, осаджуються іони металу з розчину, та він заряджується позитивно. Таким чином, на обох електродах проходять процеси, які призводять до вирівнювання концентрації іонів у розчинах.

Потенціали електродів дорівнюють:

 

Е₁ = Е₁° + RT/nF ×ln a₁

Е₂ = Е₂° + RT/nF ×In a₂

Е₂° = E₁°

 

Віднімаючи перше рівняння з другого, отримаємо рівняння для електрорушійної сили концентраційного елементу:

 

Е = Е₂ – Е₁ = RT/nF × In a₂/a₁

Е = 0,059 / n × ln а₂ /а₁

Концентраційний елемент буде працювати до тих пір, поки активності іонів у розчинах не зрівняються; при а₁ = а₂ його ЕРС = 0. Різниця електричних потенціалів виникає при контакті двохрозчинів електролітів, якщо вони відрізняються концентрацією або природою розчиненої речовини. Внаслідок різності швидкості дифузії іонів у розчинах виникає дифузійна різність потенціалів чи дифузійний потенціал.

Окислювально - відновні електроди використовуються тільки в тих випадках, коли метал електроду не бере участі в окислювально- відновному процесі, при роботі елементу він не змінюється, а служить тільки переносником електродів.

Потенціал окислювального-відновного електрода залежить від співвідношення активностей окислювальної та відновної форми даної речовини. Чим більше стандартний окислювальне - відновний потенціал, тим вища активність окислювача в цій системі, і тим в більшому ступені виражені їх окислювальні властивості.

Нормальним називають такий потенціал, який виникає на електроді, який занурили у розчин своєї солі з концентрацією 1г іон-металу на 1л розчину.

Усі нормальні потенціали металів можна знайти у таблиці "Нормальні електродні потенціали. "

Нормальний елемент (елемент Вестона) - такий елемент, у якого Е.Р.С. завжди постійна, у яких відома рецептура виготовлення. Елемент Вестона - це ртутно-кадмієвий елемент. Використовують такий елемент у лабораторних умовах для порівняння.

Стандартними називають такі електроди, потенціал яких не змінюється.

Завдання для виконання самостійної роботи.

1. Охарактеризувати електроди із активних металів, зануренні в розчини їх солей.

2. Рівняння Нернста.

3. Що таке електронегативний метал.

4. Дати характеристику газовому електроду.

5. Дати характеристику кисневому електроду.

6. Дати характеристику водневому електроду.

7. Дати характеристик каломельному електроду.

8. Дати характеристику скляному електроду.

9. Дати характекристику окисно-відновному електроду.

10. Які переваги має скляний електрод порівняно з водневим індикаторним електродом?