8 .3. Стандартный водородный электрод

Конструктивно стандартный водородный электрод состоит из платиновой пластинки, покрытой слоем электролитической платины− платиновой чернью, контактирующей с газообразным водородом под давлением 1 атм и раствором серной кислоты с активностью ионов водорода 1 моль/л .

В водородном электроде происходит реакция, аналогичная реакциям, протекающим на поверхности металлических электродов. Pt выполняет роль инертного проводника, а ее поверхностный слой адсорбирует (концентрирует) водород. Адсорбированный водород, взаимодействуя с молекулами воды, переходит в раствор в виде ионов, оставляя на платине электроны. При этом платина заряжается отрицательно, а раствор – положительно. Возникает скачок потенциала между платиной и раствором. Наряду с переходом ионов в раствор идет обратный процесс восстановления ионов Н⁺ с образованием молекул водорода.

Равновесие на водородном электроде можно представить в виде

2Н⁺ + 2 Н₂.

Схематически водородный электрод обозначают 2Н⁺/Н₂, где вертикальная черта – поверхность раздела фаз.

Электродный потенциал стандартного водородного электрода условно принят за нуль (Е^о_2Н+/Н2  0,00 В).

Стандартным электродным потенциалом (Е^о₂₉₈) называется электродный потенциал, определенный относительно стандартного водородного электрода в стандартных условиях, т.е. при концентрации (активности) ионов металла в растворе 1 моль/л и температуре 25^оС (298 К).

Для определения стандартных электродных потенциалов металлов (Е^о₂₉₈) составляется гальванический элемент из двух элементов: стандартного водородного электрода и электрода, представляющего собой металлическую пластину, погруженную в раствор соли этого металла с концентрацией (активностью) ионов металла 1 моль/л, и измеряют электродвижущую силу элемента (рис. 8.2).

Измерение осуществляют методом компенсации в условиях обратимой работы его работы (при отсутствии тока в цепи).

ЭДС элемента равна разности равновесных потенциалов положительного электрода (катода) и отрицательного электрода (анода). Так как потенциал водородного электрода принимается равным нулю, то относительный потенциал определяемого электрода будет равен ЭДС элемента.

Рис. 8.2. Ячейка для измерения электродного потенциала металла:

А - аккумулятор; Б – стандартный водородный

электрод; В – металлический электрод

Знак электродного потенциала характеризует активность металла относительно водорода. Металлы имеют электродные потенциалы со знаком «минус», если их активность выше активности водорода и «плюс», если они менее активны, чем водород.

Стандартные электродные потенциалы металлов являются характеристикой активности металлов. Стандартные электродные потенциалы металлов, расположенные в ряд по мере возрастания значений стандартных электродных потенциалов, представляют собой ряд стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений металлов) (Прил., табл. 12).

8.4. Ряд стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений металлов)

Стандартные электродные потенциалы металлов указывают на меру окислительно-восстановительной способности металла и его ионов. Металлы в виде простых веществ – восстановители, ионы металлов – окислители.

Чем наиболее отрицателен электродный потенциал, тем выше способность металла посылать ионы в раствор и тем сильнее проявляет себя металл как восстановитель (например, Li, Na, K). И наоборот, чем наиболее положителен потенциал металлического электрода, тем большей окислительной способностью обладают его ионы.

Активные металлы начала ряда, а также щелочные и щелочноземельные вытесняют водород из воды, Например,

2K + 2H₂O 2KOH + H₂ .

Металлы, расположенные между магнием и кадмием, обычно не вытесняют водород из воды. На поверхности этих металлов образуются оксидные пленки, обладающие защитным действием.

Все металлы, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов до водорода, вытесняют его из растворов кислот с концентрацией (активностью) ионов водорода 1 моль/л. Например,

Zn + HCl ZnCl₂ + H₂ .

Если электродный потенциал металла имеет положительный знак, то металл является окислителем по отношению к водороду и не вытесняет его из растворов кислот с концентрацией ионов водорода 1 моль/л.

Металлы способны вытеснять друг друга из растворов солей. Направление реакции определяется при этом их взаимным положением в ряду напряжений. Например,

Zn + CuSO₄ ZnSO₄ + Cu.

Чем дальше расположены друг от друга в ряду напряжений два данных металла, тем наибольшую ЭДС будет иметь составленный из них гальванический элемент.