Электродные потенциалы и электродвижущая сила

Когда мы говорим об относительной легкости, с которой металлы отдают электроны, то подразумеваем, что в ряду металлов существует определенный порядок в способности отдавать электроны. Это свойство металлов в окислительно-восстановительных реакциях характеризуется значениями их стандартных электродных потенциалов j.

Электродные потенциалы металлов определяют в гальваническом элементе, устройство которого представлено на рис. 39.

Электродные потенциалы сравнивают со стандартным потенциалом водородного электрода.

Водородный электрод представляет собой платиновую пластинку, опущенную в водный раствор соляной кислоты (с _HCl = 1 моль/л). Через раствор пропускают пузырьки водорода при давлении р (Н₂) = 1 атм. Водород в незначительных количествах растворяется в платине. Чтобы растворимость водорода увеличить, платиновую пластинку покрывают пористой платиной (платиновой чернью). Такой электрод называют стандартным водородным электродом. Условились потенциал водородного электрода j⁰(Н₂) считать равным нулю, если концентрация ионов водорода равна 1 моль/л. Платина в таком электроде играет роль электрического проводника и не участвует в химических реакциях.

 

 

Рис. 39. Гальванический элемент для измерения электродного потенциала цинка, составленный из стандартного водородного электрода (справа) и цинкового электрода (слева). Электроны во внешней цепи движутся от цинкового к водородному электроду

 

Другой электрод, потенциал которого следует измерить относительно стандартного водородного электрода, представляет собой металл, опущенный в раствор соли данного металла.

Таким металлом может быть цинковая пластинка, опущенная в раствор соли ZnCl₂. Потенциал цинкового электрода считается стандартным, если концентрация ионов цинка в растворе = 1 моль/л.

С помощью гальванометра измеряют разность электродных потенциалов в вольтах (В). Электродвижущую силу (ЭДС) гальванического элемента обозначают Е. Значение стандартного электродного потенциала цинкового электрода j⁰(Zn) вычисляют по уравнению:

Е= j⁰(Н₂) - j⁰(Zn),

где Е - экспериментально измеренное значение ЭДС гальванического элемента равное 0.76 В,j⁰(Н₂) = 0.

0.76 = 0 – j⁰(Zn)

j⁰(Zn) = – 0.76 В.

Стандартные электродные потенциалы металлов в водном растворе равны электродвижущей силе гальванического элемента Е, составленного из данного металлического электрода и стандартного водородного электрода.

Значения стандартных электродных потенциалов некоторых металлов приведены в табл. 7.

Т а б л и ц а 7

Стандартные электродные потенциалы при 25 ^оС (с = 1 моль/л),

р = 1 атм (для газов)

Электрод	Электродная реакция	j^0, В
Li^+|Li	Li^+ + e^- = Li	- 3.04
K^+|K	K^+ + e^- = K	- 2.92
Ca^2+|Ca	Ca^2++ 2e^- = Ca	- 2.87
Na^+|Na	Na^+ + e^- = Na	- 2.71
Mg^2+|Mg	Mg^2+ + 2e^- = Mg	- 2.37
Al^3+|Al	Al^3+ + 3e^- = Al	- 1.66
Mn^2+|Mn	Mn^2+ + 2e^- = Mn	- 1.18
Zn^2+|Zn	Zn^2+ + 2e^- = Zn	- 0.76
Fe^2+|Fe	Fe^2+ + 2e^- = Fe	- 0.44
Ni^2+|Ni	Ni^2+ + 2e^- = Ni	- 0.25
Sn^2+|Sn	Sn^2+ + 2e^- = Sn	- 0.14
Pb^2+|Pb	Pb^2+ + 2e^- = Pb	- 0.13
H^+|H2(Pt)*	H^+ + + e^- = 1/2H2	0.00
Cu^+|Cu	Cu^2^+ + 2e^- = Cu	+ 0.34
OH^-|O2(Pt)*	1/2O2 + Н2О + 2e^- = 2 OH^-|	+ 0.401
Hg2^2+|Hg	Hg2^2+ + 2e^- = Hg	+ 0.79
Ag^+|Ag	Ag^+ + e^- = Ag	+ 0.80
Au^+|Au	Au^+ + e^- = Au	+ 1.50

*) указаны водородный и кислородный электроды.

Ряд стандартных электродных потенциалов характеризует активность металлов в электрохимических и химических превращениях. Из табл. 7 следует, что окислительные свойства ионов металлов увеличиваются в последовательности от Li⁺ к Au³⁺, а восстановительные свойства металлов возрастают от Au к Li

Свойство одних металлов вытеснять ионы других металлов из растворов их солей мы уже наблюдали на примере электрохимической реакции в гальваническом элементе, составленном из цинкового и медного электродов.

Электродные потенциалы щелочных и щелочноземельных металлов невозможно определить в гальваническом элементе, так как они реагируют с водой. Для них электродные потенциалы вычислены теоретически.