Διάγραμμα ηλεκτροχημικών σειρών

Η ηλεκτροχημική αλληλουχία ορίζεται ως η διάταξη των στοιχείων ή των ιόντων τους σε αύξουσα ή φθίνουσα σειρά του τυπικού δυναμικού ηλεκτροδίου υπό τυπικές συνθήκες. Το δυναμικό ηλεκτροδίου είναι επίσης το δυναμικό μείωσης και υπολογίζεται για πολλούς παράγοντες συγκρίνοντάς το με το τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου του ηλεκτροδίου υδρογόνου, γνωστό και ως τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου.

Εισαγωγή γραφήματος ηλεκτροχημικής σειράς

Ας υποθέσουμε ότι τα ηλεκτρόδια (μέταλλα και μη μέταλλα) που έρχονται σε επαφή με αυτά τα ιόντα είναι διατεταγμένα με βάση το τυπικό δυναμικό αναγωγής ή τις τυπικές τιμές δυναμικού οξείδωσης. Σε αυτή την περίπτωση, η ακολουθία που προκύπτει είναι ο στοιχειώδης ηλεκτρισμός. Ονομάζεται χημική ή ηλεκτροχημική, ή ενεργή σειρά. Δημιουργήθηκε μια σειρά από τυπικά δυναμικά ηλεκτροδίων μετρώντας τα δυναμικά διαφόρων ηλεκτροδίων σε σύγκριση με το τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου (SHE).

Σύμφωνα με διεθνείς συνθήκες, τα τυπικά δυναμικά των ηλεκτροδίων για τη μείωση της ημιαντίδρασης παρατίθενται σε πίνακα, υποδεικνύοντας την τάση των ηλεκτροδίων να συμπεριφέρονται ως η κάθοδος του τυπικού ηλεκτροδίου υδρογόνου.

Ένα ηλεκτρόδιο με θετική τιμή E ° για τη μειωμένη ημιαντίδραση στην πραγματικότητα δρα ως κάθοδος για το τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου. Αντίθετα, ένα ηλεκτρόδιο με αρνητική τιμή E ° για τη μειωμένη ημιαντίδραση αντ' αυτού λειτουργεί ως η άνοδος για την αύξηση του τυπικού ηλεκτροδίου υδρογόνου.

Η ηλεκτροχημική σειρά φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. Το δυναμικό τυπικής κατάστασης της κυψέλης είναι το δυναμικό της κυψέλης υπό συνθήκες τυπικής κατάστασης, που υπολογίζεται σε συγκέντρωση 1 mol/λίτρο (1M) στους 25 °C και πίεση 1 ατμόσφαιρας.

Ορισμός της ηλεκτροχημικής σειράς

Η ηλεκτροχημική σειρά, που μερικές φορές ονομάζεται σειρά δραστηριότητας, είναι ένας κατάλογος που περιγράφει τη διάταξη των στοιχείων σε αύξουσα σειρά τιμών δυναμικού ηλεκτροδίου. Αυτή η σειρά δημιουργήθηκε με τη μέτρηση του δυναμικού διαφόρων ηλεκτροδίων και τυπικών ηλεκτροδίων υδρογόνου.

Διάγραμμα ηλεκτροχημικών σειρών

Χαρακτηριστικά της Ηλεκτροχημικής σειράς

Το δυναμικό ηλεκτροδίου του υδρογόνου (κανονικό δυναμικό υδρογόνου, SHE) είναι εξ ορισμού 0,00. Όλες οι άλλες δυνατότητες ορίζονται σε αυτό το πλαίσιο.

Τα ημιστοιχεία (ζεύγη στοιχείων/ιόντων) με πολύ θετικό δυναμικό ηλεκτροδίου είναι υψηλότερα στην ηλεκτροχημική σειρά. Είναι ισχυρά οξειδωτικά.

Ένα αρνητικό δυναμικό ημικύτταρο είναι αναγωγικός παράγοντας—όσο μεγαλύτερη είναι η αναγωγική ισχύς, τόσο πιο αρνητική είναι η τιμή.

Τα μέταλλα είναι γενικά ηλεκτροθετικά, ενώ τα αμέταλλα είναι ηλεκτραρνητικά. Τα ακόλουθα μέταλλα είναι τα πιο δραστικά.

Τα αμέταλλα στην κορυφή της στήλης είναι τα πιο ενεργά. Επομένως, η αντιδραστικότητα είναι η χαμηλότερη κατά μήκος του κέντρου. Τα κάτω μέταλλα της σειράς μπορούν να μειώσουν τα ανώτερα μέταλλα της σειράς. Ομοίως, τα μη μέταλλα στην κορυφή της σειράς μπορούν να οξειδώσουν μέταλλα και αμέταλλα στο κάτω μέρος της σειράς.

Σημαντικά χαρακτηριστικά της ηλεκτροχημικής σειράς

Οι ουσίες που είναι ισχυρότεροι αναγωγικοί παράγοντες από το υδρογόνο κατατάσσονται πάνω από το υδρογόνο και έχουν αρνητικές τιμές τυπικών αναγωγικών δυνατοτήτων.

Όλες οι ουσίες που έχουν θετικές τιμές αναγωγικού δυναμικού και τοποθετούνται κάτω από το υδρογόνο στη σειρά είναι αναγωγικοί παράγοντες ασθενέστεροι από το υδρογόνο.

Ουσίες που είναι ισχυρότεροι οξειδωτικοί παράγοντες από το ιόν Η+ τοποθετούνται κάτω από υδρογόνο στη σειρά.

Τα μέταλλα στην κορυφή (τα οποία έχουν υψηλές αρνητικές τιμές τυπικών αναγωγικών δυναμικών) χάνουν εύκολα ηλεκτρόνια. Αυτά είναι ενεργά μέταλλα.

Τα αμέταλλα στο κάτω μέρος (τα οποία έχουν υψηλές θετικές τιμές τυπικών αναγωγικών δυναμικών) τείνουν να δέχονται εύκολα ηλεκτρόνια. Αυτά είναι ενεργά αμέταλλα.

Σημαντικό της Ηλεκτροχημικής σειράς

Υπολογισμός EMF κυψέλης

Κάθε ηλεκτροχημικό στοιχείο αποτελείται από δύο ημιστοιχεία σε κάθε ηλεκτρόδιο. Κάθε μισό κύτταρο υφίσταται μια αντίδραση:οξείδωση και το άλλο είναι αναγωγή. Αντίστοιχα σε κάθε αντίδραση, υπάρχουν δυναμικά, δηλαδή δυναμικά οξείδωσης και δυναμικά αναγωγής.

Το EMF του κυττάρου (Ecell) είναι το άθροισμα του δυναμικού οξείδωσης και του δυναμικού μείωσης του κυττάρου. Μετρά τον αυθορμητισμό ολόκληρης της ενδοκυτταρικής αντίδρασης. Είναι επίσης ένα μέτρο της δουλειάς που μπορεί να κάνει ένα κύτταρο. Η σειρά Electrochemical βοηθά στη μέτρηση του EMF ενός στοιχείου, λαμβάνοντας μετρήσεις του τυπικού δυναμικού ηλεκτροδίου του ημικύτταρου και προσθέτοντάς τα κατάλληλα.

E∘cell =E∘red–E∘oxd

όπου E∘red είναι το τυπικό δυναμικό αναγωγής του αναγωγικού ημι-κυττάρου και E∘oxd είναι το τυπικό δυναμικό αναγωγής του οξειδωτικού ημικυττάρου.

Μέτρηση του αυθορμητισμού μιας αντίδρασης

Η σκοπιμότητα ή ο αυθορμητισμός μιας αντίδρασης οξειδοαναγωγής σχετίζεται άμεσα με την ηλεκτροκινητική δύναμη της αντίστοιχης αντίδρασης.

Εάν το EMF του κυττάρου είναι θετικό, η απόκριση είναι αυθόρμητη.

Εάν η ηλεκτροκινητική δύναμη του στοιχείου είναι αρνητική, η απόκριση δεν είναι αυθόρμητη.

Επομένως, εξετάζοντας τα αντιδρώντα και τα προϊόντα, είναι δυνατό να προσδιοριστεί εάν η αντίδραση οξειδοαναγωγής συμβαίνει αυθόρμητα. Γράψτε τις εξισώσεις τόσο για την ημιαντίδραση αναγωγής όσο και για την ημιαντίδραση οξείδωσης. Στη συνέχεια, προσθέστε κατάλληλα τα τυπικά δυναμικά ηλεκτροδίων τους με βάση την ηλεκτροχημική αλληλουχία.

Το EMF κυψέλης που προκύπτει υποδεικνύει εάν η απόκριση είναι αυθόρμητη.

Εκτίμηση της ελεύθερης ενέργειας Gibbs

Η ελεύθερη ενέργεια Gibbs (ΔG∘cell) είναι ένα άλλο μέτρο του αυθορμητισμού της αντίδρασης. Σχετίζεται με την ηλεκτροκινητική δύναμη του στοιχείου (E∘cell) ως εξής.

ΔG∘κελί =−nFE∘κελί

Όπου n είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που συμμετέχουν στην αντίδραση και F είναι η σταθερά Faraday, ίση με 96.485 Coulomb-mol-1

Και πάλι, με βάση τον κωδικό EMF του κελιού:

Εάν το EMF του κυττάρου είναι αρνητικό, η ελεύθερη ενέργεια Gibbs είναι θετική και η απόκριση δεν είναι αυθόρμητη.

Εάν το EMF του κυττάρου είναι θετικό, η ελεύθερη ενέργεια Gibbs είναι αρνητική και η απόκριση είναι αυθόρμητη.

Συμπέρασμα

Η ηλεκτροχημική ακολουθία παίρνει το δυναμικό αναγωγής του στοιχείου σε σχέση με την κλίμακα του υδρογόνου, όπου Eo =μηδέν. Ο τυπικός ορισμός του δυναμικού μείωσης ενός στοιχείου είναι "ένα μέτρο της πιθανότητας ότι ένα στοιχείο θα υποστεί μείωση".

Όσο μεγαλύτερο είναι το δυναμικό μείωσης ενός στοιχείου, τόσο πιο εύκολο είναι να μειωθεί. Από την άλλη πλευρά, στοιχεία με χαμηλό δυναμικό μείωσης οξειδώνονται πολύ πιο γρήγορα και πιο εύκολα.

Στοιχεία με αρνητικό ή χαμηλό δυναμικό μείωσης χάνουν εύκολα ηλεκτρόνια.

Τα στοιχεία με θετικό ή υψηλότερο δυναμικό μείωσης δεν χάνουν εύκολα ηλεκτρόνια, αλλά αποκτούν εύκολα ηλεκτρόνια.

Πιο ισχυροί αναγωγικοί παράγοντες με αρνητικό τυπικό δυναμικό αναγωγής βρίσκονται συνήθως στην ηλεκτροχημική σειρά υπό υδρογόνο. Ωστόσο, σε αυτή τη σειρά, ένα αδύναμο

Ο αναγωγικός παράγοντας με θετικό τυπικό δυναμικό αναγωγής προσδιορίζεται πάνω από το υδρογόνο.

Καθώς κινείστε προς τα κάτω στην ομάδα, η ισχύς του αναγωγικού παράγοντα αυξάνεται και η ισχύς του οξειδωτικού μειώνεται. Ομοίως, η θετικότητα και η δραστηριότητα του μετάλλου αυξάνονται ή ενισχύονται καθώς κινείστε προς τα κάτω στη σειρά. Για τα μη μέταλλα, μειώνεται.