Εύρεση του δυναμικού κυψέλης ενός ηλεκτροχημικού κυττάρου

Προτού βουτήξουμε βαθιά στη διαδικασία εύρεσης του δυναμικού κυττάρου, ας καταλάβουμε ορισμένους σημαντικούς όρους.

Ο πρώτος όρος είναι δυναμικό κελιού. Το δυναμικό της κυψέλης είναι η διαφορά δυναμικού μεταξύ των ημιστοιχείων ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου. Είναι η κινητήρια δύναμη που επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να ρέουν από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο. Η μονάδα δυναμικού του στοιχείου είναι το βολτ. Για παράδειγμα, αν πάρουμε δύο ηλεκτρόδια, τον ψευδάργυρο και τον χαλκό, τα ηλεκτρόνια ρέουν από το μισό κύτταρο ψευδαργύρου στο χάλκινο μισό στοιχείο, επειδή το πρώτο έχει υψηλότερο ηλεκτρικό δυναμικό από το μισό κύτταρο χαλκού. Το μέγεθος του δυναμικού των κυττάρων εξαρτάται πλήρως από τα ημικύτταρα.

Τυπικές και μη τυπικές συνθήκες

Τυπικές συνθήκες είναι οι συνθήκες κατά τις οποίες πρέπει να μετρηθούν η τυπική θερμοκρασία και πίεση. Η τυπική θερμοκρασία λαμβάνεται ως 273,15 K και η τυπική πίεση θεωρείται ότι είναι 105 Pa. Οι τυπικές συνθήκες δεν πρέπει να συγχέονται με την τυπική κατάσταση που χρησιμοποιείται γενικά στην ενέργεια Gibbs μιας αντίδρασης.

Οι μη τυπικές συνθήκες αναφέρονται στις συνθήκες όπου η θερμοκρασία μπορεί να είναι οποιαδήποτε θερμοκρασία, αλλά 273,15 K και η η πίεση μπορεί να είναι οτιδήποτε άλλο εκτός από 105Pa.

Τυπικό δυναμικό κελιού

Το τυπικό δυναμικό κελιού, E°cell, υπολογίζεται μέσω ενός στοιχείου ελέγχου. Το τυπικό δυναμικό ημιστοιχείου προσδιορίζεται συνδέοντας το μισό στοιχείο μιας ουσίας με ένα τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου. Αυτό το τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου λειτουργεί ως στοιχείο αναφοράς.

Το ηλεκτρόδιο υδρογόνου αναφοράς αποτελείται από ένα ηλεκτρόδιο πλατίνας σε διάλυμα που περιέχει ιόντα H+ 1M όπου το αέριο υδρογόνο αποσυντίθεται. Το δυναμικό αυτού του μισού κελιού έχει μια εκχωρημένη τιμή μηδέν. Όταν ένα συγκεκριμένο ημικύτταρο συνδέεται με το τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου, το δυναμικό που μετράται υπό αυτήν την προϋπόθεση είναι το τυπικό δυναμικό μισού κυττάρου της ουσίας.

Οξείδωση και αναγωγή

Στην ηλεκτροχημεία, θα συναντήσετε συχνά τη λέξη "οξειδοαναγωγή" πολλές φορές. Η λέξη αναφέρεται σε αναγωγή-οξείδωση. Αναφέρεται στην ηλεκτροχημική διαδικασία που περιλαμβάνει τη μεταφορά ηλεκτρονίων προς ή από ένα μόριο, ως εκ τούτου, αλλάζοντας την κατάσταση οξείδωσής του. Αυτή η αντίδραση συμβαίνει μόνο όταν εφαρμόζεται εξωτερική τάση.

Η οξείδωση και η αναγωγή μιλούν για την κατάσταση οξείδωσης ενός ατόμου, μορίου ή ιόντος που εμπλέκεται σε μια ηλεκτροχημική αντίδραση. Εάν ένα άτομο δώσει το ηλεκτρόνιό του σε οποιοδήποτε άλλο άτομο ή ιόν, τότε η κατάσταση οξείδωσης λέγεται ότι μειώνεται. Εάν ένα άτομο ή ιόν αποκτήσει ένα ηλεκτρόνιο, η κατάσταση οξείδωσής του λέγεται ότι αυξάνεται. Η αύξηση και η μείωση της κατάστασης οξείδωσης συμβαίνουν ταυτόχρονα.

Τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίων

Για να προβλέψετε το δυναμικό κελιού ενός κελιού, είναι διαθέσιμοι οι πίνακες του τυπικού δυναμικού κελιού. Αυτοί οι πίνακες είναι γνωστοί ως τυπικά ηλεκτρόδια υδρογόνου. Το τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου διέρχεται από την αντίδραση 

2H+ + 2e– → H2

Αυτή είναι μια αντίδραση μείωσης. Ωστόσο, το τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου μπορεί να λειτουργήσει και ως κάθοδος και ως άνοδος ανάλογα με το δυναμικό οξείδωσης/αναγωγής του άλλου ηλεκτροδίου. Μπορεί να συνδεθεί με οποιοδήποτε ηλεκτρόδιο με τη βοήθεια μιας γέφυρας αλατιού, σχηματίζοντας έτσι ένα στοιχείο. Όταν το δεύτερο ηλεκτρόδιο που συνδέεται με το τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου βρίσκεται επίσης σε τυπικές συνθήκες, το δυναμικό στοιχείου που μετράται είναι επίσης γνωστό ως τυπικό δυναμικό για το ηλεκτρόδιο.

Προσδιορισμός αρνητικού ή θετικού δυναμικού μείωσης

Καθώς η τιμή του δυναμικού μισού κυττάρου λαμβάνεται έναντι ενός τυπικού ηλεκτροδίου υδρογόνου, οι ουσίες με θετικό δυναμικό αναγωγής είναι πιο εύκολο να μειωθούν σε σύγκριση με τα ιόντα Η+. Οι ουσίες με αρνητικό δυναμικό μείωσης είναι πιο δύσκολο να μειωθούν.

αντίδραση ημικύτταρου ανόδου:

Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e–; E°Zn→Zn2+ =0,76V

Αντίδραση ημικύτταρου καθόδου

Cu2+(aq) + 2e– → Cu(s); E°Cu2+ + 2e– → Cu(s) =0,34V

Η συνολική αντίδραση θα είναι Zn(s) + Cu2+ → Zn2+(aq) + Cu(s)

E°cell=E° Zn + E° Cu =0,76 + 0,34 =1,10V

Εξάρτηση του δυναμικού κυττάρων από τη συγκέντρωση

Η σχέση μεταξύ της συγκέντρωσης ενός ηλεκτρολύτη και του δυναμικού του στοιχείου δίνεται από την εξίσωση Nernst.

Ecell=E°cell – (RT/nF) lnQ

Το Ecell είναι το δυναμικό κυψέλης υπό μη τυπικές συνθήκες, ενώ το E°cell είναι το δυναμικό κυψέλης υπό τυπικές συνθήκες. Το R είναι η καθολική σταθερά του αερίου, η F είναι η σταθερά του Faraday και το Q είναι το πηλίκο της αντίδρασης. Η τιμή RT/F =0,0257 V

Ως εκ τούτου, η εξίσωση Nernst καταλήγει σε

Ecell =E°cell –(0.0257/n) lnQ

Συμπέρασμα

Αυτά είναι τα βήματα για να μάθετε το δυναμικό κυψέλης ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου. Εκτός από το δυναμικό κυψέλης, μπορούμε επίσης να μάθουμε το δυναμικό κυψέλης σε μη τυπικές συνθήκες χρησιμοποιώντας την εξίσωση Nernst.