Електродні потенціали та механизм

ЕЛЕКТРОДНІ ПОТЕНЦІАЛИ ТА МЕХАНИЗМ

ЇХ ВИНИКНЕННЯ.

Вивчення механізму виникнення електродного, дифузійного, мембранного та окисно-відновного потенціалів та їх залежності від різних чинників дає змогу зрозуміти закономірності перебігу більшості біохімічних реакцій, Вимірення біопотенціалів покладено в основу таких важливих діагностічних методів, як електрокардіографія, електроенцефалографія тощо, а за величиною ЕРС (електрорушійних сил) визначають вміст фізіологічно-активних йонів у біологічних рідинах та тканинах організму.

Електрохімічні методи аналізу (полярографія, потенціометрічне та амперометричне титрування) знайшли широке застосування у медико-біологічних дослідженнях. Тому знання основ елекстрохімії неохідне лікарю для повноцінної практичної діяльності.

Електродний потенціал. Рівняння Нернста.

Якщо занурити металеву пластинку у чисту воду, то йони, які містяться у вузлах кристалічної решітки металу, будуть гідратуватись полярними молекулами води, відокремлюватися від поверхні металу і переходити в розчин. На металевій пластинці залишається надлишок електронів, які надають її повіерхні негативного заряду. Позитивно заряджені гідратовані йони, які перейшди у розчин під дією сил електростатичного притягання, залишаються беспосередньо біля поверхні металевої пластинки і утворюють так званий подвійний електричний шар.

Між металевою пластинкою і розчиномс возникає стрибокпотенціалу, який називають електродним потенціалом, а систему, що складається з металевої пластинки і розчину електроліту, - електродом.

Одночасно з переходом йонів з металевої пластинки в розчин відбувавється і зворотний процес – перехід дегідратованих йонів з розчину на металеву пластинку.

Від концентрації розчину залежить що буде мати позитивний, а що - негативний заряд. У розбавлених розчинах поверхня металевої пластинки набуде негативнорго, а прилеглий до неї шар розчину – позитивного заряду.. У клонцентрованих розчинах навпаки, електрод набуде позитивного заряду, а розчин – негвтивного.

Рівноважний стан різниці потенціалів на межі поділу фаз метал – розчин називають електродним потенціалом. Величина електродного потенціалу залежить від природи металу та активності його йонів у розчині, її обчислююють на формулою:

RT

φ = φ⁰ + ——— ℓnα (Me n+)

n F

де R – універсальна газова стала; Т – температура, за якою відбувається реакція; n – кількість електронів, що втрачає атом металу; F – стала Фарадея; α (Me n+) – активність йонів металу в розчині, φ0 – стандартний електродний потенціал.

Це рівняння називають рівнянням Нернста.

Стандартний електродний потенціал φ⁰, це електродний потенціал, який виникає при зануренні металевої пластинки в розчин, в якому активність йонів металу дорівнює 1 кмоль/м³.

Визначення стандартних електродних потенціалів.

Електрод, якім виміряють стрибок потенціалу на межі метал – розчин,називають стандартним водневим електродом.

Стандартний водневий електрод – це платинова пластинка, занурена в розчин сульфатної кислоти з активністю йонів Н О, рівною, за температури 298 К, 1 моль/л.

Величини стандартних електродних потенціалів наведені в таблицях. Електродні потенціали усіх електродів, виміряні відносно нормального водневого електрода, складають ряд стандартних електродних потенціалів.

За величиною електродного потенціалу можна встановити напрямок перебігу електродної реакції. Будь-який електрод, розміщений нижче в ряді стандартних електродних потенціалів, знаходиться в більш окисненому стані, ніж розміщений вище. Якщо з двох таких електродів зібрати гальванічний елемент, то на першому буде відбуватися реакція відновлення, на другому – окиснення.

Класифікація електродів.

Електроди, які застосовують в електрохімії залежно від типу оборотності та числа фаз, поділяють на кілька груп.

Електроди першого роду. Електроди цього типу складаються з металевої пластинки, зануреної в розчин однойменних катіонів. Вони оборотні відносно катіона або аніона і є двофазними. Схематично їх можна записати так:

Ме │‌‌ Ме‌n+,

Наприклад, Zn Zn²⁺, Cu│ Cu^2+.

Електродні реакції в таких напівелементах відповідають реакціям окиснення, якщо електрод негативний:

Ме → Ме n+ + ne,

або реакціям відновлення, якщо електрод позитивний:

Ме n+ + ne → Ме

Таким чином, на електродах першого роду відбувається процес переходу катіонів з металу в розчин або навпаки, тобто ці електроди оборотні відносно катіона.

Зазначимо, що в ортопедичній стоматології для виготовлення зубних протезів використовують близько двадцяти металів. Якщо у ротовій порожнині знаходяться протези, виготовлені з різних металів, то при змочуванні їх ротовою рідиною утворюється гальванічний елемент. Електричний струм, який виникає під час його роботи, призводить до появи патологічних станів, які називають гальванозом. Для нього характерні такі симптоми, як металевий присмак, відчуття кислоти, зіпсуття смаку, зміна слиновиділення та ін. Тривале користування такими зубними протезами може призвести до появи алергічних захворювань, уражень печінки, шлунково-кишкового тракту, глосальгії, гінгівіту тощо, тому застосування металів та сплавів з різною величиною електродних потенціалів для виготовлення зубних протезів недопустиме.

Електроди другого роду складаються з металу, покритого його малорозчинною сполукою (сіллю, оксидом, гідроксидом) і зануреного в розчин добре розчинної сполуки з тим самим аніоном. Схематично ці електроди зображають так:

Me │ Me A, A n-.

Електроди другого роду оборотні відносно катіона і аніона, однак, змінюючи концентрацію аніона, можна впливати на величину їх потенціалів.

Окисно-відновні електроди

Оскільки кожна електродна реакція, по суті, є процесом окиснення-відновлення, то теоретично будь-який електрод можна назвати окисно-видновним. Проте окисно-відновними називають такі електроди, метал яких не бере участі в окисно-відновній реакції, а є тільки переносником електронів, процес же окиснення-відновлення відбувається між речовинами, що знаходяться у розчині, в який занурено цей електрод. Отже, окисно-відновні, або редокс-електроди – це напівелементи, які складаються з інертного провідника (платина, золото, графіт тощо), зануренного в розчин, де є окиснена та відновлена форми однієї і тієї самої речовини, наприклад,

Pt │ Fe3+, Fe2+.

Реакцію, що відбувається на цьому електроді, можна записати так:

Fe3+ + е → Fe2+.

Йони Fe3+ відновлюються до йонів Fe2+ за рахунок електродів, одержаних від платини. У результаті цього електрод набуває позитивного заряду. На межі поділуфаз утворюється подвійний електричний шар з певним значенням потенціалу, величина якого залежить від активності йонів.

Потенціал окисно-відновного електрода залежить від велечини його стандартного потенціалу та співвідношення активностей окисненої та відновленої форм речовини.

Уявлення про окисно-відновні потенціали необхідні при вивченні окисно-відновних процессів в організмі.

Біологічне окиснення є основним джерелом енергії в організмі. Цей процес має багатоступінчастий характер і може відбуватися шляхом перенесення електронів або протонів.

Величина окисно-відновного біохімічного потенціалу дає змогу передбачити напрямок потоку електронів під час біологічного окиснення та розрахувати зміну енергії при перенесенні від однієї редокс-пари до іншої.

Йонселективні електроди

Одним із сучасних фізико-хімічних методів аналізу, що дозволяє контролювати стан навколишнього середовища та слідкувати за зміною концентрації електролітів у біологічних рідинах, є йонометрія – потенціометричний метод дослідження складу розчинів за допомогою йонселективних електродів.

Іонселективні електроди – це електрохімічні датчики, потенціали яких залежать від активності певного виду іонів у розчині. Ці іони називають потенціалоутворюючими, а електроди – іон селективними («селективний» означає «вибірковий»).

Нині промисловість випускає понад 30 видів іонселективних електродів, за допомогою яких можна визначити більше 50 катіонів, аніонів та молекулярних сполук. Найбільшого застосування знайшли електроди, селективні до неорганічних іонів, газів та молекул деяких органічних сполук.

Такі електроди складаються із корпуса, допоміжного електрода та мембрани. Тому такі електроди називають мембранними і класифікують за типом мембрани: скляні, кристалічні, рідкі та плівкові. Суттєвим є те, що всі мембрани містять електродноактивні речовини, які й забезпечують процес селективного обміну іонами між мембраною та розчином.

При занурені іон селективного електрода у досліджуваний розчин електродна мембрана відокремлює цей розчин від зовнішнього розчину. Між мембраною та обома розчинами починається процес обміну іонами, які рухаються в напрямку фази з меншою активністю іонів цього виду. Оскільки мембрана не пропускає частину іонів, то по обидва її боки через певний проміжок часу виникає стрибок потенціалу, який перешкоджає подальшому переходу іонів між фазами. Таким чином досягається рівноважний розподіл іонів між розчинами та мембраною.

Іонселективні електроди класифікують за агрегатним станом електродноактивного матеріалу.

Дата добавления: 2015-11-04