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

Рассмотрим два контейнера с разными уровнями жидкости. При подключении жидкость перетекает с верхнего уровня на нижний. Путем измерения отдельных уровней жидкости можно предсказать направление потока.Для сравнения, в гальваническом элементе знание индивидуальных потенциалов электрода помогает предсказать окислитель, восстановитель и направление потока электронов. Здесь каждая полуячейка имеет соответствующий электродный потенциал. Однако потенциал отдельного электрода нельзя измерить напрямую, можно измерить только разность потенциалов между двумя полуячейками.Так как это рассчитывается? Для определения потенциалов отдельных электродов одному электроду присваивается нулевой потенциал, а потенциалы другого электрода измеряются относительно первого. Электрод с нулевым потенциалом является водородным электродом в стандартных условиях, также называемым стандартным водородным электродом или СВЭ.СВЭ работает при 25 градусах Цельсия и состоит из инертного платинового электрода, частично погруженного в 1-молярную соляную кислоту и подвергнутого воздействию потока газообразного водорода при давлении 1 атмосфера. При подключении цинкового электрода к СВЭ, его масса уменьшается, что указывает на его окисление до ионов Zn2+Одновременное увеличение образования газообразного водорода означает уменьшение количества ионов водорода. Таким образом, цинк является анодом, а СВЭ катодом.Стандартный электродный потенциал цинка 0, 76 Вольт указывает на больший окислительный потенциал, чем у СВЭ. Однако при подключении медного электрода к СВЭ, его масса увеличивается, поскольку Cu2+восстанавливается до меди. Следовательно, медь является катодом, а СВЭ анодом.Стандартный восстановительный потенциал меди 0, 34 Вольт указывает на больший восстановительный потенциал, чем у СВЭ. Стандартные электродные потенциалы определяют степень окисления или восстановления чем больше положительное значение, тем выше тенденция к восстановлению при стандартных условиях. Направление и самопроизвольность окислительно-восстановительной реакции определяют путем исследования индивидуальных стандартных электродных потенциалов.Положительная сумма электродных потенциалов подразумевает самопроизвольную реакцию. Таким образом, для гальванического элемента медь-цинк с цинком в качестве анода и медью в качестве катода и потенциалом элемента 1, 10 Вольт обе реакции в полуячейках протекают самопроизвольно в прямом направлении. Наконец, стандартный электродный потенциал является внутренним свойством и не зависит от каких-либо изменений стехиометрии полуреакции.

Стандартные электродные потенциалы

При сравнении реактивности серебра и свинца наблюдается, что два ионных вида, AG+ (aq) и Pb2+ (aq), показывают разницу в их окислительно-восстановительных действиях по отношению к меди: Ион серебра подвергается спонтанному сокращению, в то время как ион свинца не происходит. Относительную активность окислительного вещества можно легко количественно оценить в электрохимических клетках с помощью свойства, называемого клеточного потенциала. Это свойство обычно называют напряжением клеток в электрохимии, и оно является мерой энергии, которая сопровождает передачу заряда. Потенциалы измеряются с помощью единиц СИ в вольтах, определяемых как одна джоуль энергии на один кулон заряда. Таким образом, 
 <img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11435/11435_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 70px;" />
 Стандартный потенциал электрода 
 При измерении в электрохимических целях клеточный потенциал является мерой движущей силы для определенного типа процессов передачи заряда, а именно, переноса электрона между реагенты. Потенциал одного электрода или одной полуячейки нельзя измерить, так как для переноса электронов требуется донорская и принимающая или восстановитель и окислитель соответственно. Вместо этого, полуклеточный потенциал может быть измерен только относительно другой полуячейки. Таким образом, можно измерить разницу потенциалов только между двумя полуклетками, Экеллом, которая определяется как 
 <img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11435/11435_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Где Экатод и εнод представляют потенциалы двух разных полуклеток, работающих соответственно как катод и анод. Стандартный потенциал ячейки, E°cell, — это потенциал ячейки, измеренный в стандартных состояниях обоих полуэлементов (т.е. концентрации 1 M, давления 1 бар, 298 K) 
 <img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11435/11435_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Чтобы легко рассчитать потенциалы полуреакции, научное сообщество выделит одну конкретную полуклеточную ячейку в качестве универсального эталона для всех измерений потенциала клеток, с потенциалом 0 В. Эта полуклетка известна как стандартный водородный электрод (SHE), и основана на половинной реакции ниже: 
 <img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11435/11435_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Обычно ОНА состоит из инертного платинового электрода, погруженного в воду H+ 1 м, с потоком пузырьков газа H2 при давлении 1 бар, Поддерживается при одинаковой температуре 298 K. потенциал электрода (EX) для полуячейки X определяется, таким образом, как потенциал, измеренный для ячейки X, которая действует как катод, в то время как она действует как анод. 
 <img alt="Eq5" src="/files/ftp_upload/11435/11435_Equation_5.png" style="text-align: center; height: 70px;" />
 Поэтому 
 <img alt="Eq6" src="/files/ftp_upload/11435/11435_Equation_6.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 В стандартных условиях потенциал полуячейки X равен стандартному потенциалу электрода, E°X. Поскольку определение клеточного потенциала требует, чтобы полуклетки функционируют как катоды, эти потенциалы также называются стандартными потенциалами сокращения. 
 Прогнозирование спонтанности и направления реакции редокс 
 Клеточный и электродный потенциалы определяют спонтанность редокс-реакций. Отмечается, что спонтанные реакции демонстрируют положительный клеточный потенциал, в то время как спонтанный процесс показывает отрицательный клеточный потенциал. Если суммарное значение потенциалов электродов положительное, реакция считается спонтанной. Реакции полуклеток, имеющие положительный потенциал электрода, происходят в прямом направлении, в то время как реакции со значениями меньше, чем водородный электрод обычно происходят в обратном порядке. 
 Более сильный окислитель демонстрирует больший стандартный потенциал электрода, E°. По мере того как потенциал электродов измеряет мощность снижения, повышение E° соответствует увеличению движущей силы за счет уменьшения вида и улучшения окислительной способности. Таким образом, E-ячейка является положительной, когда E°катод > E°анод. 
 Учитывая это, он объясняет, почему медь окисляется серебром, но не свинцом: 
 <img alt="Eq7" src="/files/ftp_upload/11435/11435_Equation_7v2.png" style="text-align: center; height: 125px;" />
 Прогнозирование растворения металла в минеральных кислотах 
 Одним из основных применений полуклеточных потенциалов является понимание того, растворится ли конкретный металл в минеральной кислоте. Большинство кислот, таких как соляная кислота, растворяют металлы путем сокращения протонов до газообразного водорода и окисления металлов до соответствующих ионов. В случае реакции цинка с соляной кислотой реакция является спонтанной, поскольку стандартный потенциал электрода цинка ниже, чем у водорода. Однако медь не реагирует с соляной кислотой из-за ее более высокого потенциала электрода. 
 Этот текст адаптирован из <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-3-electrode-and-cell-potentials"> OpenStax, Химия 2е изд., раздел 17.3: Электродный и клеточные потенциалы. </a>

При сравнении реакционной способности серебра и свинца было замечено, что два ионных вида, Ag+ (aq) и Pb2+ (aq), демонстрируют разницу в своих окислительно-восстановительных ...

Education

JoVE Core

Chemistry

Химия

Один

Electrochemistry

Электрохимия

KEY TERMS AND CONCEPTS

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

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