Электрохимия. Понятие электрохимии. Электроды. Гальванические цепи. Окислительно-восстановительные электроды. (Лекция 6.1) презентация

Лекция 6 Электрохимия. Основные понятия электрохимии. Электроды. Гальванические цепи. Окислительно-восстановительные электроды 1. Электродный потенциал. 2. Строение ДЭС. Термодинамика ДЭС. 3. Уравнение Нернста. 4. Измерение величины электродных потенциалов. Гальванические цепи. 5.Типы электродов. Лектор: Степанова Ирина Петровна, доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой химии

ЦЕЛИ ЛЕКЦИИ ЦЕЛИ ЛЕКЦИИ ОБУЧАЮЩАЯ: сформировать знания об основах электрохимии, формировании электродного потенциала, уравнении Нернста, классификации электродов, гальванических цепях РАЗВИВАЮЩАЯ: расширить кругозор обучающихся на основе интеграции знаний, развить логическое мышление. ВОСПИТАТЕЛЬНАЯ: содействовать формированию у обучающихся устойчивого интереса к изучению дисциплины.

Электродный потенциал

Медико-биологическое значение темы Окислительно-восстановительные процессы являются необходимыми звеньями в сложной цепи как анаболических, так катаболических процессов.

Медико-биологическое значение темы В митохондриях окисление происходит в результате переноса электронов от органических субстратов на кислород, который при этом восстанавливается до воды: 1/2O2 + 2H+  H2O. Эта реакция реализуется через целый ряд промежуточных окислительно-восстановительных превращений, каждое из них требует участия определенного фермента.

Медико-биологическое значение темы На трех таких стадиях разность потенциалов больше 0,17 В. В этом случае количество выделяющейся энергии примерно соответствует энергии, необходимой для синтеза 1 молекулы АТФ.

Фосфолипидная мицелла – синтетический прообраз клетки

Мембрана живой клетки полупроницаема.

Проницаемость обеспечена ионными каналами мембраны

Нобелевская премия 1991 г. в области физиологии и медицины

Транспорт ионов через клеточные мембраны

Эквивалентная схема клеточной мембраны

Медико-биологическое значение темы

Медико-биологическое значение темы Свойства фармацевтических препаратов находятся в непосредственной связи с их окислительно-восстановительными свойствами. Так, многие антисептические и дезинфицирующие средства являются сильными окислителями.

Медико-биологическое значение темы

Электродный потенциал

Электродный потенциал Схему электрода изображают в виде вертикальной черты, которая разделяет твердую и жидкую фазы. Например, схема металлического электрода: Меn+ Me ж. ф. тв. ф. Ox Red

Электродный потенциал

При погружении металла в раствор его одноименной соли, в системе металл – раствор устанавливается равновесие: При погружении металла в раствор его одноименной соли, в системе металл – раствор устанавливается равновесие: Меn+ + ne- Ме0 Данная реакция называется электродной реакцией. Ионы Меn+ – потенциалопределяющими ионами (п. о. и.).

ДЭС образуется: ДЭС образуется: а) за счет выхода ионов из металла б) за счет адсорбции ионов на поверхности металла

Возможны 2 случая возникновения электродного потенциала:

Электродный потенциал

2) При погружении неактивного металла (Cu) в раствор его соли (CuSO4)

Электродный потенциал

Электродный потенциал

Электродный потенциал

Разность зарядов на границе раздела фаз обусловливает скачок потенциала

Электродный потенциал Существуют и другие механизмы возникновения ДЭС, например, процесс адсорбции адсорбата на поверхности адсорбента. При помещении твердой фазы – хлорида се ребра AgCl – в раствор нитрата серебра AgNO3 на поверхности твердой фазы из раствора адсорбируются те ионы, которые входят в состав кристаллической решетки, а именно ионы Ag+. При этом твердая фаза заряжается положительно, а раствор – отрицательно.

Электродный потенциал

Строение ДЭС. Термодинамика ДЭС

Строение ДЭС по Штерну ДЭС можно сравнить с конденсатором, одна обкладка которого – металл, другая – слой противоположно заряженных ионов. На поверхности металла за счет электродных процессов возникает электрический заряд, который определяется потенциалопределяющими ионами (п.о.и.). Эта часть ДЭС – неподвижная или стабильная.

Строение ДЭС. Термодинамика ДЭС Подвижную часть ДЭС можно разделить на две части: 1) Адсорбционный слой – состоит из противоионов, расположенных на расстоянии ионного радиуса от поверхности металла. На него действуют в основном электростатические силы притяжения. 2) Диффузный слой – состоит из ионов, расположенных на расстоянии большем, чем ионный радиус. Они свободно перемещаются в растворе, в основном за счет теплового движения.

Строение ДЭС. Термодинамика ДЭС Схема ДЭС для пластинки с «-» зарядом: - + - + - + - + - + - + тв. неподв. адс. диффузный часть слой слой

Схема ДЭС для пластинки с «+» зарядом

Схема ДЭС для пластинки с «+» зарядом

Схема ДЭС для пластинки с «+» зарядом

Схема ДЭС для пластинки с «+» зарядом

Строение ДЭС. Термодинамика ДЭС От величины электродного потенциала (φ) зависит величина работы, которая совершается системой при образовании ДЭС. Величину этой работы можно выразить уравнением: [кДж ·моль-1], где A – работа, которую надо совершить, чтобы перенести заряд с одной фазы на другую, кДж ·моль-1; n – число электронов, участвующих в электродной реакции (для металлических электродов совпадает с зарядом иона); F – число Фарадея = 96487 Кл · моль-1.

Строение ДЭС. Термодинамика ДЭС В изобарно-изотермических условиях работа равна уменьшению энергии Гиббса: тогда:

Уравнение Нернста

Уравнение Нернста: Уравнение Нернста: φ – электродный потенциал [В], φ0 – стандартный электродный потенциал - характеризует природу электрода. (φ = φ0, если a(п.о.и.) = 1 моль ·дм-3); R – универсальная газовая постоянная, n – число электронов в электродной реакции, F – число Фарадея, a(п.о.и.) – активная концентрация потенциалопределяющих ионов [моль · дм-3].

Уравнение Нернста При подстановке констант в выражение и переводе натурального логарифма в десятичный (ln= 2,3 ·lg), с учетом определенной температуры, уравнение Нернста принимает рабочий вид. Для 298 K уравнение Нернста имеет вид:

Уравнение Нернста Например, уравнение Нернста для цинкового электрода для 298 K: Для 291 K уравнение Нернста имеет вид:

Электродный потенциал нельзя измерить непосредственно. Можно измерять только разность потенциалов или электродвижущую силу (E). Электродный потенциал нельзя измерить непосредственно. Можно измерять только разность потенциалов или электродвижущую силу (E). Для этого необходимо собрать гальваническую цепь из двух электродов.

Измерение величины электродных потенциалов. Гальванические цепи Схема гальванической цепи: тв1 ж1 ж2 тв2 φ1 φ2

Измерение величины электродных потенциалов. Гальванические цепи

Измерение величины электродных потенциалов. Гальванические цепи

Измерение величины электродных потенциалов. Гальванические цепи Уравнение Нернста для нормального водородного электрода: Так как , тогда Так как , тогда

Измерение величины электродных потенциалов. Гальванические цепи

Измерение величины электродных потенциалов Al+3 + 3e-  Al φo = - 1,66 В Zn+2 + 2e-  Zn φo = - 0,76 В 2H+ + 2e-  H2 φo = 0,00 В Cu+2 + 2e-  Cu φo = + 0,34 В Ag+ + e-  Ag φo = + 0,80 В

Окислительно-восстановительные электроды Pt ox (окисленная форма) red (восстановленная форма) Электродная реакция: ox + n e- red

Окислительно-восстановительные электроды Red-ox-электроды делятся на простые и сложные.

Окислительно-восстановительные электроды

Окислительно-восстановительные электроды Например: Pt [Fe (CN)6]3- [Fe (CN)6]4- Электродная реакция: [Fe(CN)6]3- + 1e- [Fe(CN)6]4-

Окислительно-восстановительные электроды

Окислительно-восстановительные электроды Схема сложного электрода: Pt MnO4-, H+ Mn2+ Электродная реакция: MnO4– + 8H+ + 5e– Mn2+ + 4H2O

Электроды сравнения

Основные требования к электродам определения - специфичность, селективность, высокая чувствительность к концентрации определенных ионов. Основные требования к электродам определения - специфичность, селективность, высокая чувствительность к концентрации определенных ионов.

Электроды определения Наиболее распространенным электродом определения является стеклянный электрод.

Электроды определения Потенциал, возникающий на х.с. электроде, остается постоянным и не влияет на потенциал, возникающий между поверхностью стекла и исследуемым раствором.

Электроды определения При помещении стеклянного электрода в раствор в поверхностный слой стекла из раствора интенсивно проникают ионы водорода, вытесняя ионы Nа+ или Li+ , содержащиеся в стекле. Ионы водорода распределяются между стеклом и раствором и на границе раздела фаз возникает разность потенциалов. Т. к. переход ионов водорода в стекло зависит от концентрации их в растворе, то потенциал стеклянного электрода зависит от рН раствора.

Электроды определения Концентрацию ионов водорода в стекле можно считать постоянной, а уравнение Нернста для стеклянного электрода имеет вид:

Ионоселективные электроды Это электроды, проявляющие селективное действие относительно тех или иных ионов. C их помощью стало возможным наблюдать за изменением ионного состава биологических жидкостей в динамике, а также получать информацию о внутриклеточном изменении концентрации ионов Na+, К+, Сa2+, СI- и т.д.

Электроды определения В настоящее время число ионоселективных электродов с четко выраженной селективностью к определенным ионам составляет более 20, например калиевый электрод, натриевый электрод и др.

Вопросы для самоконтроля

БЛАГОДАРЮ ЗА ВАШЕ ВНИМАНИЕ!