Vybrané hodnoty z elektrochemické řady napětí
                      - Standardní elektrodové potenciály při 25°C -

  

Elektroda E° (V)   Elektroda E° (V)
Ba/Ba2+ -2,906   H/H+ 0
Mg/Mg2+ -2,363   Ag/Ag+ 0,799
Be/Be2+ -1,847   Au/Au3+ 1,498
Al/Al3+ -1,662   Cu/Cu2+ 0,337
Zn/Zn2+ -0,763   Pt/Pt2+ 1,2
Fe/Fe2+ -0,44   Hg/Hg2+ 0,788
Co/Co2+ -0,277   Pd/Pd2+ 0,987

 

 

Mezi kovovou elektrodou a roztokem její soli se ustaví určitá elektrochemická rovnováha, kterou nazýváme elektrodový potenciál. Fyzikální definice potenciálu je poněkud  složitější a pro naše účely nepřehledná. Pro názornost si můžeme potenciál představit jako určitou výškovou polohu, a podobně jako u měření výšek zeměpisných objektů, i zde si musíme zvolit nějakou základní referenční hladinu, vůči níž budeme všechny potenciály vztahovat a číselně kvantifikovat. Zeměpisci si za referenční hladinu zvolili hladinu moře a chtějí-li změřit výšku hory, odečtou od sebe nadmořskou výšku vrcholu hory a nadmořskou výšku určitého místa na jejím úpatí. Elektrochemici si za referenční vztažnou hodnotu zvolili potenciál vodíkové elektrody při 25°C.

Rozdíl dvou potenciálů se nazývá elektrické napětí. Protože potenciály elektrod jsou závislé na teplotě a koncentraci, je jako standardní elektrodový potenciál E° definován potenciál, na který se elektroda nabije při teplotě 25 °C, je-li ponořena do roztoku své soli o jednotkové koncentraci (přesněji aktivitě - pro naše výpočty však budeme používat koncentraci). Vliv teploty, koncentrace a změny oxidačního čísla na standardní elektrodový potenciál popisuje vztah

 

(1)                            E = E° +  RT. ln c / (z.F)

 

kde    E .... potenciál při teplotě T a koncentraci c

          E° ... standardní elektrodový potenciál (číselné hodnoty ve voltech V jsou v úvodní tabulce)

          R = 8,314 J . K-1.mol-1 ...  univerzální plynová konstanta

          T ...  teplota (K)

          c ...   koncentrace elektrolytu( mol/l )

          z ...   změna oxidačního čísla mezi elektrodou a jejím kationtem

          F = 9,65 . 104   C/mol   ...  Faradayova konstanta

 

Mezi elektrodami s potenciály E1 a  E2  spojenými do elektrochemického článku (konstrukce článku se probírána přednáškách a pro naše výpočty není důležitá) se ustaví elektrické napětí o velikosti

 

(2)                           U =  | E1 - E2 |    
  kde kolmá závorka podobně jako v matematice převádí rozdíl na absolutní hodnotu

     U ... elektrické napětí.

Spojí-li se dvě elektrody do článku, pak ta, která má nižší potenciál se rozpouští na kladně nabité kationty, přičemž uvolňuje elektrony do elektrického obvodu. tato elektroda je záporná a nazývá se katoda. Elektroda, která má vyšší hodnotu potenciálu je nabita kladně, z elektrického obvodu elektrony odebírá, elektricky jimi neutralizuje kationty a ty se v podobě kovu na elektrodě vylučují. tato elektroda je anodou.

Kovy, které mají kladný elektrodový potenciál (větší než vodíková elektroda) se nazývají kovy ušlechtilé a za běžných podmínek nekorodují vlivem působení vlhkosti. Kovy se záporným potenciálem vlivem vlhkosti korodují a záleží pouze na vlastnostech korozních zplodin, jestli tato koroze povede k úplnému rozpuštění kovu (oxidy železa jsou práškovité) nebo bude další koroze omezena (viz ochranná vrstva oxidu hlinitého).

 

Matematicko - početní předpoklady

- vlastnosti logaritmů, práce s logaritmickými tabulkami nebo kalkulačkou s logaritmickou funkcí

- úprava výrazů a vzorců

 

Řešené příklady

 

I.  Určete elektrodový potenciál zinkové elektrody, při koncentraci  elektrolytu 0,5 mol/l a teplotě 0°C

 

Řešení: Dosadíme potřebné veličiny do vztahu (1):

 

E = E° +  RT. ln c / (z.F) = -0,763 + 8,314. 273,16 . ln 0,5/(2 . 9,65.104) =

 = -0,763 + (-1574,17)/193000 = -0,771  (V)

 

Závěr: Zinková elektroda, ponořená do elektrolytu o koncentraci 0,5 mol/l má při teplotě 0°C elektrodový potenciál -0,771 V.    

 

 

II. Jaké napětí se objeví mezi zinkovou a měděnou elektrodou při 0°C, budou-li oba kovy ponořeny do elektrolytů s c = 1 mol/l?

 

Řešení: Protože koncentrace c = 1 mol/l  a ln c = ln 1 = 0, budou elektrodové potenciály nezávislé na teplotě. S použitím vztahu (2) pak zjistíme, že mezi elektrodami se ustaví elektrické napětí

 

                                        U =  | E1 - E2 |  = | -0,763 - 0,337 | = | -1,1 |  = 1,1 V

Závěr: Mezi zinkovou a měděnou elektrodou se za uvedených podmínek ustaví elektrické napětí  1,1 V

 

III. Jaké napětí bude produkovat elektrochemický článek, tvořený beryliovou elektrodou ponořenou v elektrolytu Be2+ o koncentraci 0,01 mol/l a  stříbrnou elektrodou ponořenou do elektrolytu Ag+ o koncentraci 0,05 mol/l, při teplotě 10°C?

 

Řešení: Nejdříve spočítáme elektrodové potenciály jednotlivých elektrod:

 

Be:        E1 = E° +  RT. ln c / (z.F) = -1,847 + 8,314 . 283,16 . ln 0,01/(2 . 9,65.104) = -1,903

Ag:        E2 = E° +  RT. ln c / (z.F) =  0,799 + 8,314 . 283,16 . ln 0,05/(1 . 9,65.104) = 0,726

 

a napětí opět zjistíme jako absolutní hodnotu rozdílu elektrodových potenciálů

             U =  | E1 - E2 |  = | -1,903 - 0,726 | = | -1,1 |  = 2,629 V

 

 Závěr: Elektrochemický článek bude zpočátku produkovat napětí o velikosti 2,629 V

 

IV. Elektrické napětí se může objevit imezi stejnými elektrodami, pokud jsou ponořeny do elektrolytů různých koncentracích. Těmto článkům se říká koncentrační. Zjistěte, jaké napětí se objeví mezi zinkovými elektrodami, bude-li 1 elektroda ponořena do roztoku 0,1 mol/l a druhá do roztoku 0,001 mol/l při teplotě 25 °C)

 

Řešení:     Postup je v podstatě stejný jako v příkladu III., ale není potřeba použít standardní elektrodové potenciály, protože jsou shodné a při odečítání potenciálů se vzájemně zruší. Můžeme proto rovnou psát:

 

U =  | 8,314.298,16.ln 0,1/(2 . 9,65.104) - 8,314.298,16.ln 0,001/(2 . 9,65.104)|

 

nejdříve provedeme vytknutí stejných čísel před závorku, abychom zbytečně dvakrát nepočítali totéž

 

U = 8,314 . 298,16/(2 . 9,65.104) . | ln 0,1  -   ln 0,001|  =     0,01284 . | -2,3026 + 6,9077 | = 0,05913 V


  Závěr: Elektrochemický koncentrační článek bude  produkovat napětí o velikosti  0,05913 V  .                                                           

 

Příklady k procvičování:

 

  1. Určete potenciál zinkové elektrody ponořené do 0,5 M roztoku Zn2+ při teplotě 50°C.  (-0,7726 V )

  2. Jaký potenciál má barnatá elektroda ponořená do 0,01 M roztoku Ba2+ při teplotě 100°C?  
                                                                                                    ( -2,98 V )    

  3. Pásek čistého hliníku je ponořen do roztoku o koncentraci iontů Al3+  c = 0,02 mol/l    při teplotě 25°C. Určete potenciál této elektrody.                                                                                     ( -1,6955 V )

  4. Na jaký potenciál se nabije měděná elektroda při teplotě 0°C, bude-li ponořena do roztoku  s obsahem Cu2+ o koncentraci  c = 0,1 mol/l?                                                                                ( +0,31 V)     

  5. Jaké napětí se ustaví na elektrodách článku při 35°C, jehož 1 elektroda je zinková v elektrolytu o c = 0,5 mol/l Zn2+ a druhá elektroda je měděná v elektrolytu s měďnatými ionty Cu2+  0,1 mol/l?   ( 1,0786 V)

  6. Vypočítejte napětí, které bude mezi elektrodami při teplotě 25°C
    I. - barnatá ponořená do roztoku Ba2+ c = 0,003 mol/l
    II. - stříbrná ponořená do elektrody tvořeného roztokem Ag+ o c= 0,002 mol/l                ( 3,6199 V )

  7. Určete napětí v koncentračním článku tvořeném kobaltovými elektrodami při teplotě 20°C. Jedna elektroda je ponořená do roztoku c = 0,01mol/l, druhá do c = 2 mol/l Co2+.        ( 0,0669 V )

  8. Vypočítejte napětí mezi elektrodami koncentračního článku při teplotě 25°C. 4lánek má platinové elektrody, z nichž jedná je v elektrolytu koncentraci iontů Pt2+ c= 1,5 mol/l, druhá v elektrolytu s c = 0,002 mol/l                                                                                                    ( 0,0850 V )

  9. Elektrochemický článek má měděné elektrody, obě ponořené do elektrolytu  s c = 0,01 mol/l Cu2+. Teplota jednoho elektrolytu je 0°C, teplota druhého elektrolytu 100°C. Určete napětí článku.
                                                                                                                                ( 0,0198 V )

  10. Elektrochemický článek má stříbrné elektrody, obě ponořené do elektrolytu  s c = 0,001 mol/l Ag+. Teplota jednoho elektrolytu je 0°C, teplota druhého elektrolytu 100°C. Určete napětí článku.
                                                                                                                                   ( 0,0595 V )

  11. Jaké napětí se ustaví na elektrodách článku při 20°C, jehož 1 elektroda je zlatá v elektrolytu o c = 0,1 mol/l Au3+ a druhá elektroda je magnesiová  v elektrolytu s hořečnatými ionty Mg2+  1,5 mol/l?                                                                                       ( 3,8364 V)

  12. Jaké bude napětí při teplotě 20°C na berylio-rtuťném článku s elektrolyty c = 0,1 mol Be2+/l  a
    c = 0,001 mol Hg2+ /l ?                                                                   ( 2,5768 V )

  13. Určete napětí mezi elektrodami článku při teplotě 25°C, jestliže železná elektroda je ponořená do elektrolytu o c = 01 mol/l Fe2+ a paladiová elektroda je v elektrolytu  0,5 mol/l Pd2+.
                                                                                                            ( 1,4476 V )