因為電池的電位差取決於反應物質的濃度,所以我們只要讓二個電極裝置含有不同濃度的物質,就能製造一個電池。
化學原理啟迪278
濃度電池 Concentration Cells (一)
1. 因為電池的電位差取決於反應物質的濃度,所以我們只要讓二個電極裝置含有不同濃度的物質,就能製造一個電池。
2. 舉例來說,下圖的電池二端電極裝著液態的AgNO3,但是莫耳濃度不同;讓我們來討論這個電池的電位差與電子流動的方向。
3. 這個電池的2個電極裝置的半反應是
Ag++e-→Ag E°=0.80V
4. 如果二端電極都含有1M Ag+
E°cell=0.80V-0.80V=0V
5. 不過我們設定的電池,二端電極的Ag+濃度分別是1M和0.1M,因為二端Ag+濃度不一樣,所以實際運作時,電池的半反應電位差也不一樣,因此這個電池將有一個正的電位差伏特。
6. 這個電池的電流方向是什麼?思考這個問題最好的方法是認清自然界會努力平衡二端電極裝置的Ag+濃度。
7. 我們將使用能斯特方程式,計算這個電池在25℃時的電位差
E=E°-(0.0591/n)log(Q)
8. 因為電池每完成一次反應就轉移1個電子,因此n=1,電池二端裝置的半反應分別是:Ag++e-→Ag與Ag→Ag++e-。這個電池的標準電位差是多少?
9. 電池的標準電位差E°代表電池反應進行的條件符合標準狀態,我們所設定的電池大部分的條件都符合標準狀態,只有一項不符合,其中一端電極的[Ag+]不是1M。不過,如果電池二端的電極Ag+濃度都是1M,電位差就是0,也就是標準電位差E°=0。
10. 接著,我們要找到反應商數Q的值,再複習一次,反應商數Q是產物與反應物濃度的比例。
11. 這個電池的反應程序是
Ag+(1M)→Ag+(0.1M)
從以上反應的濃度可以找出反應商數Q。
注:Ag+(1M)→Ag+(0.1M)的方程式怎麼來?說明如下
12. 利用能斯特方程式,計算電池的電位差
E=E°-(0.0591/n)log(Q)
=0-(0.0591/1)log(0.10/1.0)
=-0.0591/1(-1.00)
=0.0591V
這個電池的電位差是0.0591V
13. 一個電池,如果它的2個電極裝置組成物質都一樣,但是濃度不同,稱為濃度電池。這種電池製造電位差的唯一因素是參與反應的物質的濃度不一樣。一般而言,這種電池的電位差較小。
14. 【例題】判斷電池的電子流動方向,指出陰極與陽極的位置,計算這個電池在25℃下的電位差。
15. 【解題】如果左邊電極裝置的電子能流向右邊電極裝置,那麼,二個電極裝置的鐵離子Fe2+最後就會平衡,這將會造成左邊電極產生的Fe2+,右邊電極產生鐵金屬的固體沈澱物,並因此減少溶液內的鐵離子Fe2+含量。。
16. 所以電流是從左邊流向右邊,左邊電極進行氧化反應(陽極),右邊電極進行還原反應(陰極)。
17. 我們將使用以下這個能斯特方程式,計算這個電池在25℃時的電位差
E=E°-(0.0591/n)log(Q)
18. 電池每完成一次反應,就會轉移2個電子(二個半反應Fe2++2e-→Fe與Fe→Fe2++2e-),因此n=2,此外濃度電池的標準電位差E°=0,反應商數Q=0.01/0.10。
19. 因為一定是Fe2+濃度比較低的位置才會不斷形成Fe2+,所以一定是在0.01M Fe2+的電極端形成,而形成Fe2+離子的位置是陽極,是反應物,所以,0.1M Fe2+在陰極、產物的位置
20. 利用能斯特方程式,計算電池的電位差
E=E°-(0.0591/2)log(0.01/0.10)
=-0.0296(-1.00)
=0.0296V
n
下一則: 計算氧還反應的平衡常數 Calculation of Equilibrium Constants for Redox Reactions
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