Водородный электрод: определение, устройство, формула и особенности

В приведенной ниже статье мы определим значение понятия «водородный электрод». Не все знают, что это такое. Здесь будет раскрыто его общее значение. Также мы уделим внимание реакциям окисления и восстановления, которые связанны с видом эксплуатации подобного предмета, и отдельно поговорим о запчастях, которые его образуют.

Введение

Стандартным водородным электродом называют электроды сравнения. Их используют в ходе измерений электрохимической природы. Также они находят свое применение в составе гальванических элементов. Водородный электрод (ВЭ) – это металлическая пластинка или проволока, которая хорошо поглощает водород в газообразном виде. Сама пластина погружается в водные растворы, насыщенные кислородом и содержащие в себе его ионы.

Этот элемент обладает потенциалом, который обуславливается концентрацией ионов H⁺ в толще раствора. Электрод используют в качестве эталона, по которому определяют потенциал исследуемых химических реакций. Если давление водорода равное одной единице атм., а концентрация протонов соответствует соотношению 1 моль/л, то потенциал ВЭ считают равным нулю. Если использовать в качестве поверхности для определенной реакции платину, а также ВЭ и определяемый электрод, то можно наблюдать интересную реакцию, в ходе которой образуется стабильный атом водорода:

2H⁺+2e^-=H₂.

Другими словами, происходит восстановление или окисление атомов H. Тип реакции обуславливается потенциалом водородного электрода, на котором протекает реакция.

Проводя измерения ЭДС гальванических приспособлений с использованием стандартных условий (раствор, о котором мы говорили выше), всегда используют понятие стандартного потенциала электрода. Он определяется типом химической реакции.

Окисление и восстановление

Говоря о водородных электродах, мы упомянули понятие реакции окисления и восстановления, которые могут происходить с атомами водорода при использовании соответствующих электродов.

Восстановлением в химии называют явление, в ходе которого:

• Атомарная, ионная частица или молекула принимает (каждая) по одному и более электронов.
• Наблюдается снижение степени окисления определенных атомов в конкретной частице.
• Вещества органической природы утрачивают кислородные атомы и/или приобретают водородные.

Ранее восстановлением считалось только третье определение (с середины XIX века), в то время как первое и второе начали применяться лишь в 20-х годах прошлого столетия. На сегодняшний день полагается, что второе определение можно считать общим для всех восстановительных процессов в химии. При помощи третьего вида описания, чаще всего выделяют и распознают реакции окислительно-восстановительного характера.

Рассмотрим подробнее. Под окислением подразумевают процесс, который сопровождается постепенным увеличением атомной степени окисления определенного вещества. Это происходит посредством «транспортировки» электронов от атома-донора, отвечающего за отдачу e^-, к акцепторному атому, который будет принимать e^-.

Введение термина в научный и повседневный оборот языковых единиц обязано академику В. М. Севергину. Это нововведение было совершено на рубеже между XVII и XIX веком. Ученый обозначал этим термином процессы взаимодействия кислорода (содержащегося в воздухе) с другими веществами. Иногда реакции окисления могут приводить к образованию нестабильных частиц и их последующему распаду на более мелкие составные компоненты реакции.

Применение

Водородные электроды чаще всего используют для проведения работ по измерению стандартного потенциала электрохимического характера. Также применяют с целью определения уровня концентрации ионов водорода и любых иных видов ионов. Еще с использованием ВЭ проводят исследования, которые помогают узнать произведение растворимости по отношению к конкретизированному константу скорости в ходе некоторых электрохимических реакций.

Самыми важными требованиями к электроду сравнения считаются:

• Способность работать в температурных интервалах.
• Стабильность рабочего процесса.
• Способность воспроизводить результат реакции и исследования.
• Совместимость с исследуемым расплавом.
• Отсутствие стационарного потенциала.

Механизм устройства

Устройство стандартных водородных электродов включает в себя:

• Электрод из платины – элемент системы, который обладает способностью исключать загрязнение раствора посторонним рядом ионов в ходе протекания электролиза. Подобные детали не обладают чистыми участками поверхности (исключая сравнительно узкие районы потенциалов). Область реагирования веществ называют двойнослойной. Она характеризуется тем, что здесь соприкасаются только металл, ионы и растворитель. Причем последний пребывает в особом состоянии. В зависимости от значения потенциала, металл может покрываться водородом в абсорбированном виде (низкое значение) или оксидами (высокое значение).
• Электролитический мостик – средство для сообщения двух половин гальванической структуры механизма.
• Подводимое вещество газообразного водорода.
• Растворы кислоты (чаще HCl) с концентрацией катионов водорода: H⁺=1 моль/литр.
• Препятствующий проникновению молекул кислорода (из воздуха) затвор.
  

Потенциал

Вычислить потенциал водородного электрода по применению к отдельному электроду является невозможным. Однако подобное утверждение справедливо только для экспериментальных путей.

Потенциометрические средства, которые играют важную роль в вопросе о потенциале электрода, основываются на определении электродвижущей силы (ЭДС):

E=E₁–E₂;

Где E – это определяемое ЭДС, а E₁ и Е₂ выступают в роли потенциала электродов цепи, которую исследуют.

Как же высчитать? Потенциал водородного электрода равен числу, которое можно определять при помощи уравнения Нернста:

E=E₀+RT/Nf in a_ox /a_red=E₀+RT/nF in[ox]y_ox/[red]y_red

Где:

• E₀ – стандартное значение потенциала редокс-системы;
• R – постоянная газа, равная 8.312 Дж/(К моль);
• T – значение абсолютной температуры;
• F – постоянная Фарадея (96485Кл/моль);
• n – количество электронов, которые являются участниками реакции;
• a_ox и a_red– показатели активности различных форм редокс-системы (соответственно окисление и восстановление);
• [ox] и [red] – молярная концентрация веществ, отвечающих за явление окисления или восстановления;
• Гамма [ox] и [red] – величина коэффициента активности.
  

Исторические данные

ВЭ характеризуется сложностью процесса эксплуатации. Однако стал известным и начал применяться довольно давно.

ВЭ были собственной конструкцией С. П. Л. Серенсена. Он использовал их в качестве центрального инструмента для своих исследований, которые позволили появиться современной теории pH-материи.

Дж. Ф. Макклендон использовал ВЭ в ряде первых опытов по исследованию pH-метрии внутри желудка. Как это происходило? Ученый использовал электрод сравнения, в который помещался водородный электрод. Последний вводился вместе с pH-зондом внутрь желудка человека.