Δυνατότητα ηλεκτροδίου

Εισαγωγή

Η διαφορά τάσης ή δυναμικού μεταξύ ενός στοιχείου που σχηματίζεται από ένα τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου και ενός άλλου ηλεκτροδίου με το απαιτούμενο δυναμικό είναι δυναμικό ηλεκτροδίου.

Είναι η διαφορά δυναμικού μεταξύ ενός σημείου στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου και ενός σημείου στον όγκο του ηλεκτρολύτη λόγω της μεταφοράς φορτισμένων σωματιδίων και της προσρόφησης πολικού μορίου. Εκτός από τα ευγενή αέρια, όλες οι ουσίες τείνουν να αποκτούν ή να χάνουν ηλεκτρόνια. Ως εκ τούτου, η επιστημονική κοινότητα εισάγει δύο βασικές αρχές για την κατανόηση του δυναμικού του ηλεκτροδίου:το δυναμικό οξείδωσης και το δυναμικό αναγωγής.

Δυνατότητα οξείδωσης

• Η διαφορά δυναμικού μεταξύ ενός ημικύτταρου που περιέχει ένα υδατικό διάλυμα της οξειδωμένης και ανηγμένης εκδοχής της υπό δοκιμή ουσίας και του τυπικού ημικύτταρου υδρογόνου χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του δυναμικού οξείδωσης.
•  Για παράδειγμα, για Fe2+ → Fe3+ + e−, Eθ =0,77, για Mn2+ → Mn3+ + e−, Eθ =1,51.
• Η μειωμένη μορφή ενός ζευγαριού (π.χ. Fe2+) θα μειώσει την οξειδωμένη μορφή ενός ζευγαριού με υψηλότερο δυναμικό οξείδωσης (π.χ. Mn3+) καθώς μειώνεται το δυναμικό οξείδωσης.
• Τα δυναμικά οξείδωσης που λαμβάνονται υπό αυτές τις ελεγχόμενες συνθήκες είναι τυπικά δυναμικά ηλεκτροδίων ή μερικές φορές τυπικά δυναμικά μείωσης.

Δυνατότητα μείωσης

• Η τάση ενός χημικού είδους να αποκτά ή να χάνει ηλεκτρόνια από ένα ηλεκτρόδιο, με αποτέλεσμα να ανάγεται ή να οξειδώνεται, μετράται με το δυναμικό οξειδοαναγωγής (γνωστό και ως δυναμικό οξείδωσης/αναγωγής). Το δυναμικό οξειδοαναγωγής μετριέται σε βολτ (V) ή millivolt (mV).
• Κάθε είδος έχει το δυναμικό οξειδοαναγωγής του. για παράδειγμα, όσο μεγαλύτερη είναι η συγγένεια για τα ηλεκτρόνια και όσο υψηλότερο το δυναμικό αναγωγής, τόσο πιο θετικό είναι (το δυναμικό αναγωγής χρησιμοποιείται λόγω του γενικού φορμαλισμού στην ηλεκτροχημεία).

Εφαρμογές του δυναμικού ηλεκτροδίων

Το δυναμικό ηλεκτροδίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διάφορους σκοπούς:

• Μπορούν να προβλεφθούν χημικές ή ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που σχετίζονται με τη διάβρωση.
• Χρησιμοποιείται για την επιλογή χημικών ουσιών και εξοπλισμού για έλεγχο αντίδρασης.
• Καθώς το δυναμικό ηλεκτροδίου σε ρωγμές και κοιλώματα εξετάζεται για τον έλεγχο των αντιδράσεων, βοηθά στην έρευνα για τη διάβρωση και τη διάβρωση των ρωγμών.
• Το δυναμικό ενός ηλεκτροδίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δείκτης πρόβλεψης των αποκρίσεων διάβρωσης. Ο προστατευτικός μηχανισμός είναι αποτελεσματικός όταν βρίσκεται εντός του δυνητικού προστατευτικού εύρους.

Τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίων

• Σύμφωνα με την ηλεκτροχημεία, το τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου είναι η τιμή της τυπικής emf (ηλεκτροκινητικής δύναμης) στην οποία το μοριακό υδρογόνο οξειδώνεται σε επιδιαλυτωμένα πρωτόνια στο αριστερό ηλεκτρόδιο σε τυπική πίεση.
• Είναι μια μέτρηση της αναγωγικής ισχύος ενός στοιχείου ή μιας ένωσης. Ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο, όπως ένα γαλβανικό στοιχείο, βασίζεται συχνά σε μια αντίδραση οξειδοαναγωγής που μπορεί να χωριστεί σε δύο μισά:οξείδωση στην άνοδο (απώλεια ηλεκτρονίων) και αναγωγή στην κάθοδο (κέρδος ηλεκτρονίων). Η διαφορά στο ηλεκτρικό δυναμικό μεταξύ των δύο μεμονωμένων δυναμικών μεταλλικών ηλεκτροδίων σε σχέση με τον ηλεκτρολύτη παράγει ηλεκτρισμό.

Ηλεκτροχημική σειρά

• Η σειρά με την οποία τα στοιχεία ομαδοποιούνται κατά σειρά αυξανόμενων τιμών δυναμικού ηλεκτροδίου περιγράφεται από μια ηλεκτροχημική σειρά. Η σειρά έγινε συγκρίνοντας το δυναμικό πολλών ηλεκτροδίων με το δυναμικό ενός τυπικού ηλεκτροδίου υδρογόνου (SHE). Όπως είναι φυσιολογικό, το τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου βρίσκεται πάντα σε μηδενική τάση.
• Για τις ημι-αντιδράσεις αναγωγής, τα ηλεκτρόδια με θετικές τιμές E° λειτουργούν ως κάθοδοι έναντι του SHE, ενώ εκείνα με αρνητικές τιμές E° ενεργούν ως άνοδοι έναντι του SHE. Η ηλεκτροχημική σειρά παρατίθεται στον παρακάτω πίνακα. Το δυναμικό τυπικής κατάστασης ενός κυττάρου είναι σε συνθήκες τυπικής κατάστασης, κατά προσέγγιση σε συγκεντρώσεις 1 mole ανά λίτρο (1 M) και πίεση 1-ατμόσφαιρας στους 25 βαθμούς Κελσίου.

 

[Κάλιο]                                                                                                                                                                  (Πιο δραστικό μέταλλο)

Νάτριο                                                               Na

Ασβέστιο                                                                                                                                                                                                              

Μαγνήσιο                                                       Mg 

Αλουμίνιο                                                        Al

Ψευδάργυρος                                                                                                                                                       

Σίδηρος                                                                    Fe

Κασσίτερος                                                                      Sn

Μόλυβδος                                                                   Pb

[Υδρογόνο]                                                     [H ]    

Χαλκός                                                                                                        Cu

υδράργυρος                                                             Hg

Ασήμι                                                                  Ag

Gold

Εφαρμογές της ηλεκτροχημικής σειράς

Οι κύριες εφαρμογές των ηλεκτροχημικών σειρών είναι: 

• Οξειδωτικές και μειωτικές αντοχές.
• Αντιδράσεις μετατόπισης.
• Απελευθέρωση μετάλλων του αερίου υδρογόνου από οξέα:Πρόβλεψη
• Πρόβλεψη της σκοπιμότητας μιας αντίδρασης οξειδοαναγωγής.
• Οι υπολογισμοί του EMF του κυττάρου.
• Συγκρίνονται οι αντιδραστικότητα μετάλλων.

Συμπέρασμα

Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων, μετρημένη σε βολτ (V), καθορίζεται από τις ενώσεις που αποτελούν τα ηλεκτρόδια. Το συνολικό δυναμικό οποιουδήποτε ηλεκτρικού στοιχείου είναι το άθροισμα των δυναμικών που παράγονται από τις αντιδράσεις στα δύο ηλεκτρόδια:οξείδωση EMF + αναγωγή EMF =κυψέλη EMF. Η ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF) είναι ένας άλλος όρος για το ηλεκτρικό δυναμικό. Το δυναμικό ενός ηλεκτροδίου καθορίζεται από την κατεύθυνση της ροής των ηλεκτρονίων—αν το ηλεκτρόδιο χρησιμεύει ως κάθοδος ή άνοδος στο στοιχείο του. Εξαρτάται επίσης από τη συγκέντρωση των ηλεκτρολυτών και τη θερμοκρασία έναντι της πίεσης.