標準電極電位

標準電極電位の例は、電気化学の定義によると、「標準圧力下の水素分子が左側の電極で溶媒和プロトンに酸化されるセルの標準起電力 (起電力) の大きさ」です。任意の元素または化合物に適用される場合、その還元力はモル当量で測定されます。ガルバニ電池などの電気化学電池の基礎として機能するのは常にレドックス反応であり、これは 2 つの半反応に分けることができます:アノードでの酸化 (1 つの電子の損失) とカソードでの還元 (1 つの電子の損失)。電子）。この状況で電気を生成するのは、電解質に関する 2 つの金属電極の個々の電位間の電位差です。

電位は、温度、濃度、圧力などの要因によっても変動します。半反応の酸化電位は酸化還元反応の還元電位の逆数であるため、この場合は 2 つの電位のいずれかを計算すれば十分です。混乱を避けるために、標準電極電位は標準還元電位と呼ばれることがあります。各電極と電解質の界面には、電極が正に帯電させようとする結果として、溶液からの金属イオンが金属電極に沈着する傾向があります (沈着)。電極の金属原子はイオンとして溶液に溶解する傾向があり、電極を負に帯電させようとして電子を電極に残します。平衡状態では、電荷の分離があり、2 つの反対の反応の傾向に応じて、電極は、反応が完了すると、溶液に対して正または負に帯電する可能性があります。電極電位とは、電極と電解液の間に生じる電極と電解液間の電位差です。

標準電極電位の意義

酸化還元反応は、電気化学セルの両方の半反応で発生するため、電気化学セルと呼ばれています。

アノード端で起こるのは酸化であり、カソード端で起こるのは還元です。アノード端では、酸化によって電子が失われ、カソード端では電子が獲得されます。その結果、アノードからカソードへの電子の移動により、電気が伝導します。

各電極を電解液に浸したときの各電極のカソードとアノード間の電位差により、各電極は電位を生成します。電圧計は、セルの電圧を決定するために使用されます。

個々のハーフセルの電位は、小さすぎるため取得できません。個々の電位は、圧力、温度、または溶液中に存在する電解質の濃度の変化に応じて変化する可能性があるため、標準電位の重要性はこの時点で明らかになります。標準水素電極を使用することにより、各半電池 (SHE) の個々の還元電位を決定することができます。 SHE を使用すると、電極電位はゼロボルトになります。

電極を SHE に取り付け、生成されたガルバニ電池の電池電位を測定することにより、電極の標準電極電位を計算することができます。電極の酸化電位は、その還元電位の逆数に等しくなります。その結果、電極の標準電極電位は、電極の標準還元電位によって決定されます。

良い酸化剤に関して言えば、それらの標準的な還元電位は高く、良い還元剤に関しては、それらの標準的な還元電位は低い.

電気化学シリーズ

電気化学系列は、標準電極電位値に従って要素を配置したものです。アレンジの一種です。一部のサークルではアクティビティシリーズと呼ばれています。標準電極電位の大きい元素は、標準電極電位の小さい元素の上に置かれ、その逆です。シリーズの最上部に配置された要素は、非常に急速にサイズが縮小される傾向があります。一方、最下位に位置する要素は、削減される可能性が最も低くなります。フッ素はどの元素よりも標準電極電位が高いため、最も還元されやすい性質を持っています。リチウムは、標準電極電位の値が最も低いため、全元素の中で最も減少しにくい元素です。その結果、フッ素は非常に強力な酸化剤であり、リチウムは非常に強力な還元剤です。

レドックス反応の自発性

自然発生的であると見なされるには、酸化還元反応の場合、ギブズ自由エネルギーの変化 (ΔGocell) が負でなければなりません。次の式で、それがどのように機能するかを確認できます:

ΔG°cell =-nFE°cell

この式で、n は生成物 1 モルを生成するために必要な電子のモル数の合計であり、F はファラデー定数 (約 96485 C.mol-1) を表します。

E°cell は、以下に示す式を使用して計算できます。

E°cell =E°陰極 – E°陽極

その結果、陰極の標準電極電位から陽極の標準電極電位を差し引くことで、E°cellを算出することができます。自然発生的であると見なされるには、E°cell が正の値でなければならず (n と F の両方が正の正の値を持ち、ΔGocell の値が負でなければならないため)、ΔGocell の値は負でなければなりません。

これは、自発的なプロセスで、

E°cell はゼロより大きいため、E°cathode は E°anode より大きいことを意味します

したがって、カソードとアノードの典型的な電極電位を知ることは、電池反応がどの程度自発的に起こるかを予測するのに役立ちます。ガルバニ電池の場合、電池の ΔGo は負であり、電解電池の場合は正です。

標準水素電極

非公式に SHE と略される標準水素電極 (レドックス電極とも呼ばれます) は、酸化還元電位スケールの基本的なビルディング ブロックとして機能します。さらに、電気化学反応が起こる一次電極であるため、重要です。

酸化還元反応は、酸化 (原子による電子の獲得) と還元 (原子による電子の喪失) の両方が同じ系で同時に起こる化学反応です。

摂氏 25 度での標準水素電極の絶対電位は、電気化学で使用される約 4.44 ± 0.02 V です。

水素の電位を他の電気化学反応の電位と比較すると、特定の温度 (下記参照) (298 K) でゼロボルトの電位 (E°) を持つと言われています。

電極の電位を水素電極の電位と比較するには、電極の温度を知る必要があります。水素ガスの電気分解において参照電極として機能するため、標準水素電極と呼ばれます。

電気化学セル電位計算

半反応と電気化学セルの動作パラメータから、セルのセル電位を計算することができます。

全体的な標準電池の電位を得るには、2 つの半電池の電位を掛け合わせます。

E°cell=E°red + E°ox

非標準状態

条件が一般的でない場合 (たとえば、1 mol/L を超える濃度、1 気圧を超える圧力、および 25°C を超える温度)、いくつかの追加手順を実行する必要があります。

ネルンストの式は次のように記述できます

Ecell =E°cell – (RT/nF)lnQ.

どこで

Ecell は、非標準状態条件下でのセルの電位です。

E°cell は、その標準的な形での細胞の可能性です。

R は普遍気体定数 (8.314 JK-1mol-1=8.314 VC-1mol-1) であり、8.314 VC-1mol-1 に等しい。

T はケルビン温度スケールです。

細胞反応の平衡方程式において、n は輸送される電子のモル数を表します。

Q は反応の反応商です

結論

各金属の電極電位に応じて、同じ金属が、ある反応では陽極として作用し、別の反応では陰極として作用する可能性があります。電圧計の正または負の読み取り値は、これが当てはまるかどうかを示します。標準セル電位は、セルのカソードとアノード間の電位差を示します。電極電位を定義する場合、標準水素電極から形成されたセルと、指定されている電位を備えた提供された電極との間の電圧または電位差は、その電極の電極電位として定義されます。慣習によれば、標準水素電極は常にゼロボルトの電位にあります。標準電極電位の値はゼロであり、異なる電極または異なる量の異なる物質を使用する場合に細胞電位を計算するための基礎として機能します。