18.7: Концентрационные ячейки

Концентрационная ячейка — это тип гальванического элемента, построенного путём соединения двух почти одинаковых полуэлементов, как на основе одной и той же полуреакции, так и с использованием одного и того же электрода, отличающийся лишь концентрацией одного из участников редокса. Таким образом, потенциал концентрационной ячейки определяется только разницей концентраций конкретного вида редокс.

Рассмотрим следующую объемную ячейку:

На основании данной информации потенциал ячейки этой ячейки концентрации можно рассчитать с помощью уравнения Нернста:

Подстановка в уравнение Нернста,

Положительное значение клеточного потенциала указывает на то, что общая клеточная реакция является спонтанной. Эта спонтанная реакция возникает, когда концентрация иона цинка в катоде падает (за счет уменьшения элементарного цинка), а в аноде повышается (за счет окисления анода цинка на ионы цинка). В катоде присутствует большая движущая сила для уменьшения цинка, где концентрация ионов Zn2+ выше (катод > анод).

Счетчики pH в лаборатории, ионные каналы в мембранах нервных клеток и сердечные мышечные клетки в организме человека работают по принципу концентрационных клеток.

Этот текст адаптирован из  Openstax,Химия 2е изд.,Глава 17.4: Потенциал, свободная энергия и равновесие.

Потенциал ячейки в окислительно-восстановительной реакции существенно зависит от концентрации исходных веществ и продуктов. Рассмотрим никель-серебряный гальванический элемент в стандартных условиях с потенциалом элемента 1, 03 Вольта. Однако изменение концентрации может увеличивать или уменьшать потенциал ячейки.

Если градиент концентрации влияет на значение потенциала ячейки двух разных полуячеек, можно ли использовать его для создания электрохимической ячейки с идентичными полуреакциями? Рассмотрим гальванический элемент с двумя идентичными серебряными электродами, каждый из которых помещен в раствор, содержащий различную концентрацию ионов серебра. Эта установка называется концентрационной ячейкой.

Следуя принципу Ле Шателье, градиент концентрации самопроизвольно направляет поток электронов из полуячейки с более низкой концентрацией ионов в полуячейку с более высокой концентрацией ионов. Таким образом, окисление происходит в более разбавленной ячейке, где серебряный электрод окисляется, образуя ионы серебра, тогда как в более концентрированной ячейке ионы серебра восстанавливаются до твердого серебра. Поэтому потенциал концентрационной ячейки определяется исключительно разницей концентраций выбранного окислительно-восстановительного реагента и может быть рассчитан с использованием уравнения Нернста.

Когда концентрации ионов в двух полуячейках становятся равными, концентрационная ячейка достигает равновесия, и ее потенциал становится равным нулю. В этот момент ячейка объявляется мертвой"pH-метры работают по тому же принципу, что и концентрационная ячейка, для определения кислотности или основности раствора. Стеклянный электрод pH-метра заполнен раствором с известной концентрацией ионов водорода.

При погружении в раствор с другой концентрацией ионов водорода на двух сторонах стекла образуется измеряемая разность потенциалов, которая используется для определения pH образца. Если внешняя концентрация ионов водорода выше, чем внутри электрода, измеренная разность потенциалов высока. Это означает, что раствор является кислым со значением pH ниже семи.

Равная концентрация ионов водорода с обеих сторон приводит к нулевой разности потенциалов. Следовательно, измеряемый раствор нейтрален. Более низкая концентрация ионов водорода снаружи создает низкую разность потенциалов, что означает, что раствор является щелочным со значением pH выше семи.