Стандартные электродные потенциалы металлов. Ур Нернста.
Русский ученый Бекетов изучал действие различных металлов на разбавленные кислоты и воду и заметил, что наиболее активно ведут себя щелочные металлы.
Существует вытеснительный ряд металлов:
К, Na, Са, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb,H2, Cи, Hg, Ag, Au.
Все металлы, стоящие в этом ряду левее водорода, вытесняют водород из разбавленных кислот.
Современное название этого ряда - «Электрохимический ряд напряжений», так как положение каждого металла в этом ряду определяется величиной так называемого электродного потенциала. (Напомним , что электрическим потенциаломназывают величину, соответствующую энергии, которую нужно затратить (положительный потенциал) или которую можно получить (отрицательный потенциал) при переносе единицы электричества из бесконечности в данную точку).
Если погрузить пластинку металла в воду, то под действием полярных молекул воды часть катионов перейдет в жидкость, а электроны останутся на пластинке металла, в результате чего металл зарядится отрицательно.
Катионы, перешедшие в жидкость, располагаются вблизи поверхности отрицательно заряженной пластинки металла, в результате чего образуется двойной электрический слой ( Вода положительно (+), а метал - )
Под действием двух противоположно направленных сил (электростатического притяжения со стороны металла и теплового движения) имеет диффузное строение, т.е. он проникает в жидкость на некоторую глубину.
На месте соприкосновения жидкости с металлом возникает определенная разность потенциалов (так называемый скачок потенциала). Ясно, что чем активнее металл, тем легче будут диссоциировать его атомы под действием полярных молекул воды и тем, следовательно, большим будет отрицательный заряд металла, что, в свою очередь, обусловит бǿльшую разность потенциалов на границе металл – жидкость.
Процесс перехода ионов металла в жидкость является обратимым процессом. Поэтому, если погрузить пластинку металла не в воду, а в раствор соли этого металла, то равновесие будет смещено: из металла в раствор будет переходить меньше ионов и разность потенциалов на границе металл-раствор будет несколько иной, чем в первом случае.
Разность потенциалов, возникающую между металлом и раствором его соли, называют электродным потенциалом.
Величина электродного потенциала определяется прежде всего природой металла и раствора. Кроме того, она зависит от температуры, концентрации раствора и других факторов. Стандартным электродным потенциаломназывается электродный потенциал при концентрации (точнее, активности) иона металла, равной единице, т.е. 1моль/л.
Абсолютное значение электродного потенциала измерить невозможно. В качестве стандартного электрода сравнения используют так называемый водородный электрод.«Водородный электрод» состоит из платиновой пластинки, погруженной в раствор серной кислоты с концентрацией ионов водорода 1моль/л.
Если пластинку металла, погруженную в раствор его соли с концентрацией иона металла 1 моль/л, соединить электролитическим ключом с водородным электродом, то получится гальванический элемент, ЭДС которого будет являться числовым значением стандартного электродного потенциала данного металла при температуре измерения.
Величина потенциала металла зависит от температуры и от концентрации ионов металла в растворе. Математически эта зависимость определяется уравнением Нернста:
φ = φо + InC,
где φ – потенциал металла при данной концентрации его ионов, В;
φо- стандартный электродный потенциал металла, В; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль К); Т–абсолютная температура, К; F-число Фарадея, равное 96500 Кл/моль е; n-число молей электронов, участвующих в процессе; С – концентрация ионов металла в растворе, моль/л.