Электродный потенциал

Потенциал электрода (символ: Е ) определяется напряжением источника , подаваемого с помощью электрода с электрохимической ячейкой . Для измерения этот электрод помещают в испытательную ячейку рядом с электродом сравнения, который, по определению, имеет нулевой потенциал. Обычно этот электрод сравнения является стандартным водородным электродом . Электродный потенциал измеряемого электрода равен его напряжению, измеренному без тока относительно электрода сравнения .

Кроме того, потенциал электрода указывает, какое электрическое напряжение может выдавать электрод в электролите или какое напряжение требуется для того, чтобы, например, в случае электролиза, стабильно поддерживать определенное состояние. Таким образом, это, пожалуй, самый важный параметр для описания состояния электрода и центральный термин в электрохимии . Электродные потенциалы позволяют рассчитать электрическое напряжение, которое могут подавать батареи или аккумуляторы или которое требуется для электролиза.

Основы

Электрическое напряжение всегда измеряется между двумя точками, например, между двумя электродами. Напряжение между двумя полюсами определяется как электростатическая энергия, необходимая для перемещения кулоновского заряда от одного полюса к другому. Эту энергию можно измерить напрямую, перемещая заряды в вакууме , внутри металла или между двумя металлическими полюсами. Но если вы переносите заряд, например электрон, от металлического электрода в раствор электролита, энергия, необходимая для этого, определяется не только электростатическими, но и химическими взаимодействиями электрона с металлом или компонентами электролита. решение. Вот почему вы не можете измерить напряжение между электродом и электролитом; вам всегда нужны два электрода для измерения напряжения.

Потенциал электрода E теперь представляет собой напряжение электрода, которое измеряется относительно электрода сравнения . Электроды сравнения - это электроды с известным потенциалом, то есть с известным электрохимическим состоянием. Возможные напряжения между любыми двумя электродами затем могут быть рассчитаны с использованием электродных потенциалов: Напряжение U равно разности потенциалов Δ E от потенциалов E ₁ и E ₂ электродов 1 и 2:

${\ Displaystyle U = \ Delta E = E_ {2} -E_ {1} \ mid E_ {1} = {\ text {анод}}, E_ {2} = {\ text {катод}}}$.

Чтобы прояснить термин «потенциал», иногда используется термин «электронное давление». Электрод с большим отрицательным зарядом в металле имеет отрицательный потенциал и большое «электронное давление». Он стремится высвободить эти электроны, чтобы уменьшить воздействие на окружающую среду. Соединения, которые легко выделяют свои электроны, то есть легко окисляются , могут заряжать электрод отрицательно, то есть генерировать отрицательный потенциал. Потенциал можно использовать, чтобы указать, какие процессы могут происходить на электроде. Однако потенциал всегда следует рассматривать как отрицательный по сравнению с соответствующим электродом.

Если два состояния окисления в химическом элементе или соединения находится в равновесии в гальваническом полуэлементе , потенциал клетки фиксируются: В равновесии, являются электроны обмениваются между различными формами электрический заряженными через металлический электрод . Положение равновесия и, следовательно, электродный потенциал зависят от соотношений концентраций и температуры . Эта зависимость рассчитывается с использованием уравнения Нернста .

решимость

Электродный потенциал определяется простым измерением напряжения . Значение указано в вольтах (В). Поскольку потенциал электрода всегда измеряется относительно электрода сравнения , необходимо указать, какой электрод сравнения использовался, если только не использовался стандартный водородный электрод : это наиболее важная контрольная точка , и электродные потенциалы обычно относятся к этому электроду.

Электрохимическая трехэлектродная измерительная установка

Список электродных потенциалов можно найти в разделе « Электрохимия» . Приведенные здесь потенциалы относятся к активности 1 моль / л, то есть примерно к одномольным растворам.

При протекании тока в растворе перед электродом сравнения возникает омическое падение напряжения . Следовательно, для точных измерений потенциала измерения должны проводиться либо полностью без тока, либо, по крайней мере, с максимально высоким сопротивлением, либо используется трехэлектродная схема, в которой разность потенциалов относительно электрода сравнения измеряется без тока, даже если ток течет. к рабочему электроду . Терминал напряжение в гальваническом элементе измеряется без тока называется напряжение разомкнутой цепи (исторически: электродвижущая сила ).

Нормальный потенциал

Если электродный потенциал стандартного электрода определяется с помощью обычного водородного электрода в качестве эталона, он упоминается как нормальный потенциал . Следовательно, сам нормальный водородный электрод имеет нормальный потенциал E ⁰  = 0 вольт.

Знак нормального потенциала всегда относится к процессу восстановления на электроде. Вот почему часто говорят о восстановительном потенциале . Чем больше (более положительный) электродный потенциал (или нормальный потенциал) полуэлемента, тем сильнее окислительная способность окисленной формы.

Нормальный потенциал - это параметр химического элемента в периодической таблице . Элементом с самой высокой нормальной разностью потенциалов является литий с напряжением -3,04 вольт, что объясняет его хорошую пригодность для хранения электроэнергии в литий-ионных батареях .

пример

Половина ячейки имеет значение +2,85 В. Это означает, что если вы переключите эту ячейку на нормальный водородный электрод, будет определено электрическое напряжение 2,85 В. Когда ток течет, электроны текут по электрическому проводнику от полуячейки к полуячейке . Затем на электродах происходят следующие реакции: ${\ Displaystyle 2 \ mathrm {F} ^ {-} | \ mathrm {F} _ {2}}$${\ displaystyle E ^ {0}}$${\ Displaystyle \ mathrm {H} | \ mathrm {H} ^ {+}}$${\ Displaystyle 2 \ mathrm {F} ^ {-} | \ mathrm {F} _ {2}}$

${\ displaystyle \ mathrm {H} _ {2} \ to 2 \ mathrm {H} ^ {+} + 2e ^ {-}}$( Окисление )

а также

${\ displaystyle \ mathrm {F} _ {2} + 2e ^ {-} \ to 2 \ mathrm {F} ^ {-}}$( Уменьшение )

Фтор является сильнейшим элементарным окислителем , поэтому химические процессы с элементами не могут достичь более высоких электродных потенциалов по сравнению с обычным водородным электродом.

Абсолютный электродный потенциал

Электродные потенциалы могут быть измерены только как напряжение, для чего требуется второй электрод. Следовательно, потенциал отдельного электрода нельзя измерить напрямую, его всегда следует указывать относительно эталона. Теоретической точкой отсчета для определения потенциала является - как для электрода, так и для зарядов в электростатике - электрон на бесконечном расстоянии. Электродные потенциалы, указанные относительно такой системы без границы раздела фаз металл-электролит , называются абсолютными электродными потенциалами. Хотя их нельзя измерить напрямую , их можно рассчитать с использованием измеренных значений. Абсолютный электродный потенциал 4,44 В указан для стандартного водородного электрода , но также и значение 4,7 В. в соответствии с другими измерениями. Таким образом, погрешность определения абсолютного потенциала электрода намного больше, чем типичная точность измерения для измерения потенциала. против электрода сравнения. Следовательно, преобразование потенциала, измеренного относительно электрода сравнения, в абсолютный потенциал электрода не имеет смысла.

Смотри тоже

• Гальванический элемент : аккумулятор , батарея , элемент Даниэля
• Электроды : анод , катод
• Уравнение Нернста , электрохимический потенциал
• Редокс-потенциал , электрохимический ряд

литература

• Ввод абсолютного электродного потенциала . В: Сборник химической терминологии ИЮПАК («Золотая книга») . doi : 10.1351 / goldbook.A00022 Версия: 2.3.1.
• Вход для стандартного водородного электрода . В: Сборник химической терминологии ИЮПАК («Золотая книга») . doi : 10.1351 / goldbook.S05917 Версия: 2.3.1.
• Серджио Трасатти: «Абсолютный» электродный потенциал: пояснительная записка. В кн . : Чистая и прикладная химия. Vol. 58, No. 7, 1986, ISSN  0033-4545 , pp. 955-966, онлайн (PDF; 381 kB) .

Индивидуальные доказательства

1. ↑ BMBF batterieforum-deutschland.de: Литий-ионные батареи , по состоянию на 22 февраля 2020 г.