Электродные потенциалы
Сподак Ольга Теофановна,
учитель химии ГБОУ Лицей№40
Приморского района Санкт-Петербурга
Учащиеся знают, что металлы могут вытеснять друг друга из растворов солей. Так железо, погруженное в водный раствор солей меди, постепенно растворяется, а металлическая медь выделяется из раствора. Проводя такие опыты с разными металлами и их солями, можно построить вытеснительный ряд металлов. Учащиеся знакомы еще с одним способом выделения металлов из раствора – электролизом. Положение металла в вытеснительном ряду определяет возможность электролитического получения металла.
Ряд напряжений или ряд стандартных электродных потенциалов позволяет численно оценить свойства металлов. Данный ряд характеризует способность каждого металла переходить в раствор в виде ионов, а также восстанавливаться из ионов до металла.
Для построения такого ряда, надо измерить электродвижущую силу (ЭДС) гальванического элемента, одним электродом является исследуемый металл, погруженный в раствор соли, а другой – стандартный. Потенциал стандартного электрода условились считать равным нулю. Стандартный электрод изготовлен из губчатой платины и опущен в раствор кислоты, снизу подается водород, который при этом частично растворяется в платине.
В зависимости от условий опыта ЭДС гальванического элемента может меняться. Следовательно, подобные измерения проводят в стандартных условиях: концентрация ионов в растворе 1моль/л, давление водорода 1 атм., температура 25ºС. Измеренные в постоянных условиях электродные потенциалы всегда будут одинаковы, и их следует заносить в справочные таблицы. Электродные потенциалы измеренные в стандартных условиях называют стандартными.
Как правило электродные потенциалы представлены для реакций восстановления ионов. Для активных металлов электродные потенциалы получены косвенным путем.
Ряд стандартных электродных потенциалов соответствует расположению элементов в порядке увеличения потенциалов:
Li Cs Rb K Ba Ca Na Mg Al Mn Cr Zn Fe Cd Sn Ni Pb H2 Cu Ag Hg Pt Au
Учащимся известно, что металлы, стоящие до водорода, вытесняют водород из кислот, и имеют отрицательный потенциал. Металлы стоящие после водорода такой способности не имеют.
Расположение металлов в ряду напряжений не соответствует положению элементов в периодической таблице химических элементов, литий стоит ближе чем калий и натрий. Это объясняется, тем что значение электродного потенциала пропорционально энергии, которая выделяется или поглощается в результате: разрушения кристаллической решетки, ионизации атомов металла и переходе ионов в раствор. Величины данных энергий зависят от заряда ионов и их размера. Для примера можно взять данные по литию и натрию. Энергия атомизации лития – 159 и натрия – 108 кДж/моль; энергия ионизации- 521 и 496 кДж/моль; энергия гидратации – 531 и 423 Кдж/моль . Следовательно, растворение лития в воде энергетически более выгодно (на32кДж/моль), чем растворение натрия.
Ряд стандартных электродных потенциалов можно использовать, для того чтобы предсказать реакции металла с водой, растворами кислот, с растворами солей. Используя значения электродных потенциалов можно рассчитать ЭДС гальванического элемента, образуемого парой металлов. Гальванические элементы в практике используются как источники тока. ЭДС гальванического элемента определяют, как разность электродных потенциалов, например, ЭДС пары «медь - цинк», равна 0,34-(-0,76)=1,1 В, где стандартный электродный потенциал меди 0,34 В, а цинка -0,76 В. Можно сделать вывод, что чем дальше находятся элементы друг от друга, тем большее напряжение может создать пара гальванического элемента. Так устроены литиевые элементы, которые благодаря низкому потенциалу этого металла дают ЭДС до 3,5 В (их применяют для питания стимуляторов сердца).
ЭДС гальванического элемента нельзя определить по данным стандартных электродных потенциалов, если условия работы не являются стандартными. Значение ЭДС изменяется вследствии отклонения концентрации раствора от стандартной. Потенциал соответствующий действительности можно рассчитать по формуле:
Е= Еº + 0,06/n lg c
Еº- стандартный потенциал;
n- число электронов отдаваемых атомом металла при переходе в раствор;
с - концентрация ионов металла в растворе.
При снижении концентрации ионов металла в растворе, потенциал металла может снизиться или даже изменить знак, стать отрицательным. Например при образовании комплексного соединения серебра концентрация ионов в растворе понижается и электродный потенциал по сравнению с стандартным сильно изменяется.
Электродные потенциалы можно определить не только для металлов, но и для окислительно-восстановительных реакций, что позволяет предсказывать возможность протекания реакций.
Используя данные ряда стандартных потенциалов можно предложить учащимся следующие вопросы.
! Будет ли металлическая медь вытеснять ртуть из раствора хлорида ртути(II) 1 моль/л?
! Можно ли вытеснить медь из раствора сульфата меди(II) натрием?
! Почему магний нельзя использовать для вытеснения алюминия?
