Name: using electrode potentials to predict reactions
Uploaded: 2020-09-24T15:06:52.000Z
Duration: 3 min 2 s
Channel: JoVE

חשבו על שני מכלים עם רמות שונות של נוזל. כשמחברים ביניהם, הנוזל זורם מהרמה הגבוהה אל הנמוכה. על ידי מדידת רמות הנוזל בנפרד, כיוון הזרימה ניתן לחיזוי.בדומה לכך, בתאים גלווניים ידיעת הפוטנציאל של כל אלקטרודה מסייעת לחזות את המחמצן, המחזר וכיוון זרם האלקטרונים. כאן לכל חצי תא יש את הפוטנציאל האלקטרודי המתאים לו. יחד עם זאת, הפוטנציאל האלקטרודי לא ניתן למדידה ישירה, אלא רק ההבדל בפוטנציאל בין שני חצאי התאים.אז כיצד ניתן לחשב את זה? על מנת לקבוע מהו הפוטנציאל האלקטרודי הנפרד, פוטנציאל אלקטרודה אחת יסומן באפס והפוטנציאלים של האלקטרודות האחרות יימדדו ביחס אליה. האלקטרודה בעלת פוטנציאל אפס היא אלקטרודת מימן בתנאים סטנדרטיים, הנקראת גם אלקטרודת מימן סטנדרטית, או SHE.SHE מופעלת ב-25 מעלות צלזיוס ומכילה אלקטרודת פלטינה אינרטית הטבולה באופן חלקי במולר של חומצה הידרוכלורית וחשופה לזרם של גז מימן ב-1 אטמוספרה. כשאלקטרודת האבץ מחוברת ל-SHE, המסה שלה פוחתת ומעידה על החמצון שלה ליוני Zn2+בו זמנית גובר הייצור של גז מימן, המעיד על חיזור של יוני מימן. לכן אבץ הוא האנודה ו-SHE היא הקתודה.הפוטנציאל התקני של אלקטרודת אבץ הוא מינוס 0.76 וולט, המעיד על פוטנציאל חמצון גדול משל SHE. לעומת זאת, כשאלקטרודת נחושת מחוברת ל-SHE, המסה שלה עולה בעוד Cu2+עובר חיזור לנחושת. מכאן שנחושת היא הקתודה ו-SHE היא האנודה.פוטנציאל החיזור התקני של נחושת, פלוס 0.34 וולט, מעיד על פוטנציאל חיזור גבוה יותר משל SHE. פוטנציאל סטנדרטי מספק מדד לחמצון או לחיזור שיתרחשו:ככל שהמדד חיובי יותר, כך גדולה יותר הנטייה לחיזור בתנאים תקניים. הכיוון של תגובת חמזור והספונטניות שלה נקבעים על ידי בחינת הפוטנציאלים הסטנדרטיים האינדיבידואליים.סכום חיובי של פוטנציאלים מעיד על תגובה ספונטנית. כך, בתא גלווני של נחושת-אבץ, שבו אבץ הוא אנודה ונחושת הוא קתודה עם פוטנציאל תא של 1.10 וולט, שתי תגובות חצי התא מתרחשות באופן ספונטני בכיוון הכתוב. לבסוף, הפוטנציאל הסטנדרטי הוא תכונה פנימית, שאינה מושפעת מכל שינוי בסטויכומוטריית חצי תא.

פוטנציאל אלקטרודה סטנדרטי

<div style="direction:rtl">


בהשוואה בין התגובתיות של כסף ועופרת, נצפה ששני המינים היוניים, Ag+ (aq) ו-Pb2+ (aq) מראים הבדל בתגובתיות חמצון-חיזור שלהם כלפי נחושת: יון הכסף עובר חיזור ספונטני, בעוד שיון העופרת לא. פעילות חמצון-חיזור יחסית זו ניתנת לכימות בקלות בתאים אלקטרוכימיים על ידי תכונה הנקראת פוטנציאל התא. תכונה זו ידועה בדרך כלל כמתח תאים באלקטרוכימיה, והיא מדד לאנרגיה המלווה בהעברת המטען. פוטנציאלים נמדדים באמצעות יחידת SI וולט, המוגדרת כג'ול אחד של אנרגיה לכל קולון אחד של מטען. לכן, 

<img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11435/11435_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 70px;"> 


פוטנציאל אלקטרודה סטנדרטי 

כאשר נמדד למטרות אלקטרוכימיות, פוטנציאל התא הוא מדד לכוח המניע לסוג מסוים של תהליכי העברת מטען, כלומר העברת האלקטרונים בין מגיבים. לא ניתן למדוד את הפוטנציאל של אלקטרודה בודדת או חצי תא בודד מכיוון שהעברת אלקטרונים דורשת תורם ומקבל או מחזר ומחמצן, בהתאמה. במקום זאת, ניתן למדוד פוטנציאל של חצי תא רק ביחס לחצי תא אחר. לפיכך, ניתן למדוד רק את ההבדל בפוטנציאל בין שני חצאי תאים, Ecell, המוגדר כ 

<img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11435/11435_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 50px;"> 

כאשר Eקתודה ו- Eאנודה מייצגים את הפוטנציאלים של שני חצאי תאים שונים המתפקדים כקתודה ואנודה, בהתאמה. פוטנציאל התא הסטנדרטי, E°cell, הוא פוטנציאל התא הנמדד בתנאים סטנדרטיים של שני חצאי התאים (כלומר, ריכוזי 1 M, לחצים של 1 בר, 298 K)

<img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11435/11435_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;"> 

כדי לחשב בקלות פוטנציאל של חצי תגובה, הקהילה המדעית ייעדה חצי תא מסוים אחד שישמש כאסמכתא אוניברסלית לכל מדידות פוטנציאל התא, עם פוטנציאל של 0 V. חצי תא זה ידוע כאלקטרודת המימן הסטנדרטית (SHE), והוא מבוסס על חצי התגובה שלהלן: 

<img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11435/11435_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 50px;"> 

בדרך כלל, SHE מורכבת מאלקטרודת פלטינה אינרטית אשר טבולה ב-1 M מימית H+, עם זרם של גז H2 מבעבע בלחץ של 1 בר, נשמר בטמפרטורה אחידה של 298 K. פוטנציאל האלקטרודה (EX) עבור חצי תא X מוגדר אפוא כפוטנציאל הנמדד עבור תא X, הפועל כקתודה, בעוד שה-SHE פועל כאנודה. 

<img alt="Eq5" src="/files/ftp_upload/11435/11435_Equation_5.png" style="text-align: center; height: 70px;"> 

לכן, 

<img alt="Eq6" src="/files/ftp_upload/11435/11435_Equation_6.png" style="text-align: center; height: 50px;"> 

בתנאים של מצב סטנדרטי, הפוטנציאל של חצי התא X שווה לפוטנציאל האלקטרודה הסטנדרטי, E°X. מכיוון שההגדרה של פוטנציאל התא מחייבת את חצי התאים לתפקד כקתודות, פוטנציאלים אלו נקראים גם פוטנציאל חיזור סטנדרטי. 

חיזוי של ספונטניות והכיוון של תגובת חמצון-חיזור 

פוטנציאל התא והאלקטרודה מכתיבים את הספונטניות של תגובות חמצון-חיזור. ניתן לראות כי התגובות הספונטניות מראות פוטנציאל תא חיובי, בעוד שהתהליך הלא ספונטני מראה פוטנציאל תא שלילי. אם סיכום פוטנציאל האלקטרודה חיובי, אומרים שהתגובה היא ספונטנית. תגובות חצי תא בעלות פוטנציאל אלקטרודה חיובי מתרחשות בכיוון קדימה, בעוד שתגובות עם ערכים נמוכים מאלקטרודת המימן מתרחשות בדרך כלל בסדר הפוך. 

חומר חמצון חזק יותר מציג פוטנציאל אלקטרודה סטנדרטי גדול יותר, E°. מכיוון שפוטנציאלים של אלקטרודות מודדים את יכולת החיזור, E° מוגבר תואם לכוח מניע מוגבר מאחורי חיזור המינים ויכולות חמצון טובות יותר. לפיכך, E°cell חיובי כאשר E°cathode > E°anode. 

בהתחשב בכך, זה מסביר מדוע נחושת מתחמצנת על ידי כסף, אך לא על ידי עופרת: 

<img alt="Eq7" src="/files/ftp_upload/11435/11435_Equation_7v2.png" style="text-align: center; height: 125px;"> 

חיזוי של פירוק מתכת בחומצות מינרלים 

אחד מהיישומים החיוניים של פוטנציאל חצי התא הוא ההבנה האם מתכת מסוימת מסיסה בחומצה מינרלית. רוב החומצות, כמו חומצה הידרוכלורית ממיסות מתכות על ידי חיזור פרוטונים לגז מימן וחמצון מתכות ליונים שלהם. במקרה של אבץ המגיב עם חומצה הידרוכלורית, התגובה היא ספונטנית מכיוון שפוטנציאל האלקטרודה הסטנדרטי של אבץ נמוך מזה של מימן. עם זאת, נחושת אינה מגיבה עם חומצה הידרוכלורית בגלל פוטנציאל האלקטרודה הגבוה שלה. 

טקסט זה מותאם מ<a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-3-electrode-and-cell-potentials">OpenStax, Chemistry 2e, Section 17.3: Electrode and Cell Potentials. </a>
</div>

כאשר משווים את התגובתיות של כסף ועופרת, נצפה כי שני המינים היוניים, Ag+ (aq) ו- Pb2+ (aq), מראים הבדל בחמצון-חיזור שלהם ...

Education

JoVE Core

Chemistry

כימיה

אחד

Electrochemistry

אלקטרוכימיה

KEY TERMS AND CONCEPTS

מונחים ומושגים מרכזיים

Standard Electrode Potentials

using electrode potentials to predict reactions

Electrode potentials help predict whether a redox reaction will happen on its own. A redox reaction involves electron transfer. In electrochemistry, the measured value is called cell potential or cell voltage. It shows the energy linked to charge transfer and is measured in volts, where 1 volt equals 1 joule per coulomb.

A single half-cell cannot be measured by itself because electron transfer needs both a donor and a receiver. For that reason, scientists measure the difference between two half-cells. The cell potential, Ecell, is defined from the cathode and anode potentials, and the standard cell potential, E°cell, is taken under standard conditions of 1 M concentration, 1 bar pressure, and 298 K.

To compare half-cells, chemistry uses the standard hydrogen electrode, or SHE, as a zero-volt reference. The SHE uses an inert platinum electrode in 1 M aqueous H+ with hydrogen gas bubbling at 1 bar and 298 K. A half-cell X is measured against the SHE when X acts as the cathode. Under standard conditions, this gives the standard electrode potential, E°X. These values are also called standard reduction potentials because the half-cell is written as a reduction.

The sign of the potential helps show the direction of a redox reaction. A spontaneous reaction has a positive cell potential, while a nonspontaneous one has a negative cell potential. When the sum of the electrode potentials is positive, the reaction is spontaneous. Half-cell reactions with positive electrode potential tend to go forward, and reactions with values below the hydrogen electrode usually go in reverse. A stronger oxidant has a larger standard electrode potential because it has a greater drive to gain electrons.

This idea explains why silver ions and lead ions behave differently toward copper. Silver ion, Ag+ (aq), is reduced spontaneously, but lead ion, Pb2+ (aq), is not. It also helps explain metal dissolution in mineral acids such as hydrochloric acid. These acids dissolve metals by reducing protons to hydrogen gas and oxidizing the metal to its ions. Zinc reacts spontaneously with hydrochloric acid because its standard electrode potential is lower than hydrogen’s, while copper does not react because its electrode potential is higher.

Using Electrode Potentials to Predict Reactions

using-electrode-potentials-to-predict-reactions

balancing redox equations

Redox Reactions and Half-Reaction Balancing

Redox reactions involve electron transfer and changes in oxidation number. In electrochemistry, these reactions connect chemical changes with electrical energy. They also power technologies such as industrial metal processing and rechargeable batteries used in electric vehicles. Oxidation number is a way to track how an atom's electronic environment changes compared with the pure element, where the oxidation number is zero. For a simple ionic compound, the oxidation number matches the ion...

electromotive force

Cell Voltage and Electron Flow

Electric current is the flow of electric charge through a conducting medium or a solution. In wires, that charge is carried by electrons. In some solutions, ions can also move and carry charge. When electrons move through a wire, they produce an electric current. This idea connects to redox reactions, where electrons are lost and gained. In the spontaneous reaction between zinc and copper ions, zinc is oxidized to zinc ions. Copper ions are reduced to solid copper. Even so, this direct...

voltaic/galvanic cells

Galvanic Cells and Battery Reactions

Galvanic cells use spontaneous redox reactions to produce electric current. A common example is a disposable AA battery, which powers devices by turning chemical energy into electrical energy. Another example is a copper wire placed in silver nitrate solution, where the solution slowly turns bright blue and a grey solid forms on the wire. In the copper and silver reaction, copper is oxidized and silver ions are reduced. Copper forms cuprous ions, which give the solution its blue color. At the...

standard electrode potentials

Electrode potentials help predict whether a redox reaction will happen on its own. A redox reaction involves electron transfer. In electrochemistry, the measured value is called cell potential or cell voltage. It shows the energy linked to charge transfer and is measured in volts, where 1 volt equals 1 joule per coulomb. A single half-cell cannot be measured by itself because electron transfer needs both a donor and a receiver. For that reason, scientists measure the difference between two...

cell potential and free energy

Redox Cell Potential, ΔG°, and K

Redox cell potential connects chemical energy, free energy change, and the equilibrium constant in an electrochemical cell. In these reactions, chemical energy is converted into electrical energy. That link helps predict whether a reaction is spontaneous and how far it may proceed. Thermodynamics is the study of how heat and other forms of energy are related. In an electrochemical cell, cell potential can also reflect oxidizing strength or reducing strength. A similar idea appears in acid-base...

the nernst equation

Cell Potential Under Changing Conditions

Cell potential changes when a redox reaction does not run at standard conditions. Standard cell potentials connect with standard free energy change, ΔG°, and the equilibrium constant K, but those relationships only hold at 1 M concentration, 298 K, and 1 atmosphere. A zinc(II) and tin(II) redox cell with E°cell = +0.291 V and ΔG° = −56.2 kJ is spontaneous under those standard conditions. As a cell discharges, the reactant concentration changes and the cell potential steadily drops. Many redox...

concentration cells

Cell Potential from Concentration Differences

Concentration cells are voltaic cells that use two almost identical half-cells. The half-cells use the same electrode and the same half-reaction. They differ only in the concentration of one redox species, so the cell potential depends on that concentration difference. In a concentration cell, the Nernst equation can be used to find the cell potential. For the zinc example shown, the calculated cell potential is positive. A positive cell potential means the overall reaction is spontaneous. <br...

batteries and fuel cells

Primary, Rechargeable Batteries and Fuel Cells

Batteries and fuel cells are galvanic cells that supply electrical power for many applications. They range from tiny button batteries in wristwatches to large systems that can provide backup energy to municipal power grids. Some are primary cells, which are single-use and cannot be recharged. Others are secondary cells, which use reversible reactions and can be charged again by an external power source. A common primary battery is the dry cell. It uses zinc as both the container and the anode,...

corrosion

Rusting and Metal Protection

Corrosion is the natural breakdown of metals through electrochemical reactions. It can appear as rust on iron, tarnish on silver, or a blue-green patina on copper. In each case, the metal is oxidized. Some corrosion products can protect the surface, while others keep damaging the metal. Rusting is the harmful type of corrosion seen in iron. It happens when iron is exposed to oxygen and water. A galvanic cell forms on the iron surface, and this drives oxidation at the anodic region and...

electrolysis

Electrolysis in Batteries and Metal Production

Electrolysis uses electrical energy to drive a nonspontaneous redox reaction. In a galvanic cell, a spontaneous redox reaction does electrical work on the surroundings by sending electrons through an external circuit. In electrolysis, an external circuit does work on the redox system by applying a voltage large enough to force the reaction in the opposite direction. This process is used in several real-world settings. Recharging a battery is one example, because an outside power source drives...

key terms and concepts

Learn how electrode potentials and the standard hydrogen electrode help predict spontaneous redox reactions, metal reactivity, and whether metals dissolve in acid.

Using Electrode Potentials to Predict Reactions | JoVE K12

chemistry

JoVE Core Chemistry brings general chemistry concepts to life using concise and easy-to-understand animated video lessons. Plus, in the scientist-in-action videos, we demonstrate classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

Using Electrode Potentials to Predict Reactions

Description

Transcript

Tags