Back to chapter

18.4:

Standaard Elektrodepotentialen

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Standard Electrode Potentials

Languages

Share

Denk aan twee containers met verschillende vloeistofniveaus. Bij aansluiting stroomt de vloeistof van het hogere naar het lagere niveau. Door de individuele vloeistofniveaus te meten, kan de stroomrichting worden voorspeld.Ter vergelijking:in een galvanische cel helpt het kennen van individuele elektrodepotentialen het oxidatiemiddel, het reductiemiddel en de stroom van elektronen te voorspellen. Hier heeft elke halfcel zijn corresponderende elektrodepotentiaal. De individuele elektrodepotentiaal kan echter niet direct worden gemeten, maar alleen het potentiaalverschil tussen de twee halve cellen.Dus hoe wordt het berekend? Om individuele elektrodepotentialen te bepalen, wordt aan één elektrode een potentiaal van nul toegewezen en worden de potentialen van de andere elektrode relatief daaraan gemeten. De elektrode met een potentiaal van nul is de waterstofelektrode onder standaardcondities, ook wel de standaard waterstofelektrode of SWE genoemd.De SWE wordt bedreven bij 25 graden Celsius en bestaat uit een inerte platina-elektrode die gedeeltelijk is ondergedompeld in 1 molair zoutzuur en wordt blootgesteld aan een stroom waterstofgas van 1 atmosfeer. Wanneer een zinkelektrode op de SWE wordt aangesloten, neemt zijn massa af, wat de oxidatie tot Zn2 ionen aangeeft. Gelijktijdige verhoogde productie van waterstofgas betekent een vermindering van waterstofionen.Zink is dus de anode en SHE de kathode. De standaard elektrodepotentiaal van zink van 0, 76 volt duidt op een grotere oxidatieve potentiaal dan de SWE. Wanneer echter een koperelektrode op de SWE wordt aangesloten, neemt de massa ervan toe naarmate Cu2 wordt gereduceerd tot koper.Daarom is koper de kathode en SWE de anode. Het standaard reductiepotentiaal van koper van 0, 34 volt duidt op een groter reductiepotentiaal dan de SWE. Standaard elektrodepotentialen geven een maat voor oxidaties of reducties die optreden hoe positiever, hoe groter de neiging tot reductie onder standaardomstandigheden.De richting en spontaniteit van een redoxreactie worden bepaald door de individuele standaard elektrodepotentialen te onderzoeken. Een positieve optelling van de elektrodepotentialen impliceert een spontane reactie. Dus voor een koper-zink galvanische cel met zink als anode en koper als kathode en een celpotentiaal van 1, 10 volt vinden beide halfcelreacties spontaan plaats in voorwaartse richting.Ten slotte is de standaard elektrodepotentiaal een intrinsieke eigenschap en wordt deze niet beïnvloed door enige verandering in de stoichiometrie van de halfreactie.

18.4:

Standaard Elektrodepotentialen

On comparing the reactivity of silver and lead, it is observed that the two ionic species, Ag+ (aq) and Pb2+ (aq), show a difference in their redox reactivity towards copper: the silver ion undergoes spontaneous reduction, while the lead ion does not. This relative redox activity can be easily quantified in electrochemical cells by a property called cell potential. This property is commonly known as cell voltage in electrochemistry, and it is a measure of the energy which accompanies the charge transfer. Potentials are measured using the SI unit Volts, defined as one joule of energy per one coulomb of charge. Thus,

Eq1

Standard Electrode Potential

When measured for electrochemical purposes, the cell potential is a measure of the driving force for a specific type of charge transfer processes, namely, the electron transfer between reactants. The potential of a single electrode or a single half-cell cannot be measured as electron transfer requires a donor and recipient or a reductant and an oxidant, respectively. Instead, a half-cell potential can only be measured relative to another half-cell. Thus, it is only possible to measure the difference in potential between two half-cells, Ecell, which is defined as

Eq2

where Ecathode and Eanode represent the potentials of two different half-cells functioning as cathode and anode, respectively. The standard cell potential, E°cell, is the cell potential measured at standard-state conditions of both half-cells ( i.e., 1 M concentrations, 1 bar pressures, 298 K)

Eq3

To easily calculate half-reaction potentials, the scientific community has designated one particular half-cell to serve as a universal reference for all cell potential measurements, with a potential of 0 V. This half-cell is known as the standard hydrogen electrode (SHE), and it is based on the half-reaction below:

Eq4

Typically, SHE consists of an inert platinum electrode which is immersed in 1 M aqueous H+, with a stream of bubbling H2 gas at 1 bar pressure, maintained at a uniform temperature of 298 K. The electrode potential (EX) for a half-cell X is thus defined as the potential measured for a cell X, which acts as a cathode, while the SHE acts as an anode.

Eq5

Therefore,

Eq6

Under standard-state conditions, the potential of the half-cell X is equal to the standard electrode potential, E°X. As the definition of cell potential requires the half-cells to function as cathodes, these potentials are also called standard reduction potentials.

Prediction of Spontaneity and the Direction of a Redox Reaction

The cell and electrode potentials dictate the spontaneity of redox reactions. It is observed that the spontaneous reactions show a positive cell potential, while the nonspontaneous process shows a negative cell potential. If the summation of the electrode potentials is positive, the reaction is said to be spontaneous. Half-cell reactions having positive electrode potential occur in the forward direction, while those with values lesser than the hydrogen electrode usually occur in the reverse order.

A stronger oxidant exhibits greater standard electrode potential, E°. As electrode potentials measure reduction capacity, an increased E° corresponds to an increased driving force behind the reduction of the species and better oxidizing abilities. Thus, E°cell is positive when E°cathode > E°anode.

Considering this, it explains why copper is oxidized by silver, but not by lead:

Eq7

Prediction of Dissolution of Metal in Mineral Acids

One of the essential applications of the half-cell potentials is understanding whether a particular metal will dissolve in mineral acid. Most acids like hydrochloric acid dissolve metals by the reduction of protons to hydrogen gas and oxidation of metals to their respective ions. In the case of zinc reacting with hydrochloric acid, the reaction is spontaneous as the standard electrode potential of zinc is lower than that of hydrogen. However, copper does not react with hydrochloric acid on account of its higher electrode potential.

This text is adapted from OpenStax, Chemistry 2e, Section 17.3: Electrode and Cell Potentials.