能斯特方程:
任一氧化還原反應,
ΔrGm = ΔrG⊖m+ RTlnQ
ΔrGm = -nFε,ΔrG⊖m = nFε⊖,代入上式得:
-nFε = -nFε⊖+ RTlnQ
a.
對於任何電極反應:
氧化型 (Ox )+e-=還原型(Red)
電極在非標準狀態條件下的還原電位可用下式計算:
該公式指出了電對(Ox /Red)電極電勢與電解質溶液的濃度、氣體的壓強和溫度之間的定量關係。
如:[Cr2O72-]= 2.0mol·dm-3,[H+] = 1.0mol·dm-3,
[I-]= 1.0mol·dm-3,and [Cr3+] = 1.0´10-5 mol·dm-3
b.幾點說明:
(i) [Ox]、[Red]項包括氧化性一邊或還原型一邊所有的物質,每種物質濃度要乘以與其係數為冪的次方;
(ii) 如果電對中的某一物質是固體或液體,則它們的濃度均為常數,常認為是1;
(iii) 電對中某物質是氣態,則要用相對氣體分壓(Pi/P⊖)來表示。
影響電極電勢的因素
從能斯特方程可知,除了溫度、Ox型、Rex型物質本身的濃度(或分壓)對電極電勢的影響外,其它影響因素還有:
(1) 酸度對還原電位的影響
電極反應:2H2O + 2e→H2 + 4OH-
由於水溶液中Kw=[H+][OH-],
對於2H++ 2e→H2來講,是[H+] = 10-14mol·dm-3時的非標準還原電位。
含氧酸根的還原電位隨pH的降低而增大,所以含氧酸根的氧化性隨pH的降低而增強。
(2) 沉澱對還原電位的影響
E⊖與電池反應K⊖的關係
利用電化學方法求反應AgCl⇋ Ag++Cl- ,在298K時的K⊖。
已知:
AgCl+e-⇋ Ag+Cl- E+⊖=0.22V
Ag++e-⇋Ag E-⊖=0.80V
[析]
1. 設計電池
正極 AgCl+e-⇋ Ag+Cl- E+⊖=0.22V
負極 Ag++e-⇋Ag E-⊖=0.80V
電池符號:
(-)Ag|Ag+¦¦Cl-|AgCl|Ag (+)
電池反應:AgCl⇋ Ag++Cl- K⊖ (與Ksp⊖的關係?)
E池⊖= E+⊖-E-⊖=0.22-0.80=-0.58V
lgK⊖=zE池⊖/0.059=-0.58/0.059=-9.83
K⊖=1.5*10-10,即Ksp⊖
2. 設計電池
負極 AgCl+e-⇋ Ag+Cl- E+⊖=0.22V
正極 Ag++e-⇋Ag E-⊖=0.80V
電池符號:
(-)Ag|AgCl|Cl-¦¦Ag+|Ag (+)
電池反應:Ag+ + Cl- ⇋ AgCl K⊖ (與Ksp⊖的關係?)
E池⊖= E+⊖-E-⊖=0.80-0.22=0.58V
lgK⊖=zE池⊖/0.059=0.58/0.059=9.83
K⊖=109.83
Ksp⊖=1/K⊖=1/109.83
Ksp⊖= 1.5*10-10
3. 方法(為什麼可以用該法?)
298K時, 求 AgCl⇋ Ag++Cl- ,的K⊖
ΔrGm⊖=-RTlnK⊖=-2.303RTlgK⊖
ΔrGm⊖=∑νΔfGm⊖=77.12+(-131.3)-(-109.8)=55.62*103J/mol
-2.303RTlgK⊖=55.62*103
T=298K,lgK⊖=-55.62*103/(2.30*8.314*298)=-9.75
K⊖=109.75
Ksp⊖= 1.5*10-10
如:
從上表中,我們可知K⊖sp越小,φAgX/Ag越小,AgX的氧化性減弱,Ag的還原性增強。
例如:2Ag + 2H++ 2I- = 2AgI + H2↑,ε⊖= + 0.15V,D rG⊖m <0,正反應方向有利。
(3) 配合物對還原電位的影響
配合物(配離子)越穩定,溶液中自由金屬離子濃度越低,所以:
a.在氧化型上形成配離子,則還原電位降低,如:
b.在氧化型和還原型上同時生成配離子,則要看兩種配離子的穩定性來決定φ的升高或降低,
(4) 總結
a.電對 Mn++ e-→M(n-1)+而言,[Mn+] / [M(n-1)+]的比值越大,φ越大,其φ與溶液的pH無關;
b.對含有氫離子或氫氧離子的電對而言,溶液的pH對φ有影響,含氧酸根離子的氧化性,隨酸度的增大而增強;
c.若電對中氧化型物質生成沉澱或配離子,則沉澱物的Ksp越小,配離子的Kf越大,它們的φ值越小;反之,如果電對中還原型物質生成沉澱或配離子,則沉澱物的Ksp越小,配離子Kf越大,則φ值越大。