18.4 : جهد القطب القياسي

عند مقارنة تفاعل الفضة والرصاص ، لوحظ أن النوعين الأيونيين ، Ag ⁺ ( aq ) و Pb ²⁺ ( aq ) ، أظهر اختلافًا في تفاعلها مع الأكسدة والاختزال تجاه النحاس: يخضع أيون الفضة للاختزال التلقائي ، في حين أن أيون الرصاص لا يحدث. يمكن قياس نشاط الأكسدة النسبي هذا بسهولة في الخلايا الكهروكيميائية بواسطة خاصية تسمى جهد الخلية. تُعرف هذه الخاصية عمومًا باسم جهد الخلية في الكيمياء الكهربائية ، وهي مقياس للطاقة التي تصاحب نقل الشحنة. يتم قياس الجهد باستخدام وحدة SI Volts ، والتي تُعرّف على أنها جول واحد من الطاقة لكل كولوم شحنة. وهكذا ،

جهد القطب القياسي

عند القياس للأغراض الكهروكيميائية ، فإن جهد الخلية هو مقياس للقوة الدافعة لنوع معين من عمليات نقل الشحنة ، أي نقل الإلكترون بين المواد المتفاعلة. لا يمكن قياس إمكانات قطب كهربائي مفرد أو نصف خلية واحدة لأن نقل الإلكترون يتطلب متبرعًا ومتلقيًا أو مختزلًا ومؤكسدًا ، على التوالي. بدلاً من ذلك ، لا يمكن قياس إمكانات نصف الخلية إلا بالنسبة إلى نصف خلية أخرى. وبالتالي ، من الممكن فقط قياس الفرق في الجهد بين خليتين نصفيتين ، E _خلية ، والتي يتم تعريفها على أنها

حيث يمثل E _{الكاثود} و E _الأنود إمكانات أنصاف خلايا مختلفة تعمل ككاثود و الأنود ، على التوالي. إمكانات الخلية القياسية ، E & # 176 ؛ _خلية ، هي إمكانات الخلية المقاسة في ظروف الحالة القياسية لكل من نصف الخلايا (على سبيل المثال ، 1 M تركيزات ، 1 بار الضغوط ، 298 كلفن)

لحساب إمكانات نصف التفاعل بسهولة ، حدد المجتمع العلمي نصف خلية معينة لتكون بمثابة مرجع عالمي لجميع القياسات المحتملة للخلية ، بإمكانية قدرها 0 فولت. تُعرف هذه نصف الخلية باسم الهيدروجين القياسي القطب الكهربائي (SHE) ، ويستند إلى نصف التفاعل أدناه:

عادةً ، تتكون SHE من قطب بلاتيني خامل مغمور في 1 M مائي H ⁺ ، مع تيار من الفقاعات H ₂ الغاز عند ضغط 1 بار ، والمحافظة عليه عند درجة حرارة موحدة تبلغ 298 كلفن ، وبالتالي يتم تحديد جهد القطب ( E _X ) لنصف خلية X على أنه الجهد المقاس لـ الخلية X ، التي تعمل ككاثود ، بينما تعمل SHE كقطب موجب.

لذلك

في ظل ظروف الحالة القياسية ، فإن جهد نصف الخلية X يساوي جهد القطب القياسي ، E & # 176 ؛ _X . نظرًا لأن تعريف إمكانات الخلية يتطلب أن تعمل الخلايا النصفية ككاثودات ، فإن هذه الإمكانات تسمى أيضًا إمكانات الاختزال القياسية.

توقع العفوية واتجاه تفاعل الأكسدة والاختزال

تحدد جهود الخلية والإلكترود عفوية تفاعلات الأكسدة والاختزال. يُلاحظ أن التفاعلات العفوية تُظهر إمكانات خلية إيجابية ، بينما تُظهر العملية غير التلقائية إمكانات خلية سلبية. إذا كان مجموع جهود القطب موجبًا ، يُقال أن التفاعل يكون تلقائيًا. تحدث التفاعلات نصف الخلية التي لها جهد قطب موجب في الاتجاه الأمامي ، بينما تحدث التفاعلات ذات القيم الأقل من قطب الهيدروجين بترتيب عكسي.

يُظهر عامل مؤكسد أقوى قدرة أكبر على القطب الكهربي القياسي ، E & # 176 ؛. نظرًا لأن جهود القطب الكهربي تقيس سعة التخفيض ، فإن زيادة E & # 176 ؛ يتوافق مع قوة دافعة متزايدة وراء تقليل الأنواع وقدرات أكسدة أفضل. وبالتالي ، تكون E & # 176 ؛ _cell موجبة عند E & # 176 ؛ _cathode & # 62؛ E & # 176 ؛ _الأنود .

بالنظر إلى ذلك ، فإنه يفسر سبب أكسدة النحاس بالفضة وليس بالرصاص:

توقع انحلال المعادن في الأحماض المعدنية

أحد التطبيقات الأساسية لجهود نصف الخلية هو فهم ما إذا كان معدن معين سيذوب في حمض معدني. تعمل معظم الأحماض مثل حمض الهيدروكلوريك على إذابة المعادن عن طريق اختزال البروتونات إلى غاز الهيدروجين وأكسدة المعادن إلى أيوناتها. في حالة تفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك ، يكون التفاعل تلقائيًا حيث أن جهد القطب القياسي للزنك أقل من الهيدروجين. ومع ذلك ، لا يتفاعل النحاس مع حمض الهيدروكلوريك بسبب إمكاناته العالية للإلكترود.

هذا النص مقتبس منOpenStax, Chemistry 2e, Section 17.3: Electrode and Cell Potentials.