פוטנציאל אלקטרודה תקני

פוטנציאל אלקטרודה תקני (אנגלית: Standard electrode potential) מסומן גם כ-°E, הוא המתח החשמלי הנדרש להתרחשות תגובת חיזור (מסירת אלקטרונים) של האלקטרודה (בוולט) כפי שנקבע ביחס לחצי תא המימן   H 2 / H + ( a q ) {\displaystyle \ \mathrm {H_{2}/H^{+}(aq)} } , בתנאים תקניים שבהן, ריכוז התמיסה האפקטיבי הוא 1 מולר, הטמפרטורה 25°C, והלחץ הוא 1 אטמוספירה. הפוטנציאל מציין כוח אלקטרו מניע (כא"מ) שהוא תכונה פנימית (אינטרינזית) של התהליך הכימי, וערכו אינו תלוי בצורת איזון המשוואה הכימית. בתאים חשמליים, המורכבים מזוג אלקטרודות (אנודה וקתודה) הנמצאות במגע עם תמיסה אלקטרוליטית, ניתן להגדיר במדויק את הכוח האלקטרו מניע של ההתקן (E°cell = E°cathode − E°anode), וזאת על סמך ידיעת ערכי הפוטנציאל התקני של כל אלקטרודה וביצוע תיקון מתאים על פי משוואת נרנסט ( E = E c e l l 0 − R T n F ln ⁡ a red a ox {\displaystyle E=E_{cell}^{0}-{\frac {RT}{nF}}\ln {\frac {a_{\mbox{red}}}{a_{\mbox{ox}}}}} ). על מנת לקבוע את פוטנציאל האלקטרודה בצורה מדויקת ואחידה, יש צורך בהגדרת תנאים תקניים לביצוע המדידות, שכן שינוי שלהן מתבטא בשינוי הפוטנציאל של האלקטרודה (ראו משוואת נרנסט), כמו כן, מטעמי אחידות, הוחלט כי כל הפוטנציאלים של האלקטרודות ימדדו כפוטנציאלי חיזור (כלומר, המתח בו נמסר אלקטרון מהאלקטרודה), אולם, באופן מעשי, לא ניתן לבדוק את הפוטנציאל של אלקטרודה אחת, שכן הפוטנציאל הוא גודל פיזיקלי יחסי תלוי, ועל מנת למדוד אותו, יש להציב אלקטרודת נוספת, שבייחס אליה יימדד הפוטנציאל (אלקטרודת ייחוס). אלקטרודת הייחוס שנבחרה היא אלקטרודת המימן שעבורה נקבע פוטנציאל חיזור תקני של 0 וולט, ובייחס אליה נמדדים כל האלקטרודות (ראו טבלת פוטנציאלי חיזור תקניים). הערה: הפוטנציאל נמדד כשהאלקטרודה נמצאת בהתקן המכונה: חצי תא, המורכב ממיכל בו יש תמיסה אלקטרוליטית שבה טבולה האלקטרודה, והמחובר באמצעות גשר מלח, אל חצי תא אחר שבו ממוקמת אלקטרודת הייחוס, שהיא אלקטרודת פלטינה הטבולה בתמיסה מימית חומצית שלתוכה מבעבעים גז מימן - חצי תא המימן. פוטנציאל האלקטרודה התקני הוא גודל המייצג את היכולת לחזר חומרים שונים ביחס לאלקטרודת המימן, שהיא אלקטרודת הייחוס שעבורה פוטנציאל החיזור נקבע כ-0. חומר שמימן מחזר, הוא בעל פוטנציאל חיזור תקני חיובי וחומר שמימן אינו יכול לחזר הוא בעל פוטנציאל חיזור תקני שלילי. בנוסף, ככל שפוטנציאל החיזור התקני יותר חיובי, החומר מתפקד כמחמצן טוב יותר ולהפך. דוגמאות: על פי טבלת הפוטנציאלים התקניים, לחצי תא של מימן יש פוטנציאל אפס:   2 H 3 O + ( a q ) + 2 e − ⇌ H 2 ( g ) + 2 H 2 O E 0 = 0.00 V {\displaystyle \ \mathrm {2H_{3}O^{+}(aq)+2e^{-}\rightleftharpoons H_{2}(g)+2H_{2}O\qquad E^{0}=0.00V} } לגבי אותן התגובות, שהפוטנציאל התקני שלהן חיובי (   E 0 > 0 {\displaystyle \ \mathrm {E^{0}>0} } ), תגובת החיזור היא התגובה שתצא לפועל ותתרחש באופן ספונטני, כאשר חצי תא זה יחובר לחצי תא של מימן תקני, לדוגמה:   I 2 ( a q ) + 2 e − ⇌ 2 I − ( a q ) E 0 = 0.54 V {\displaystyle \ \mathrm {I_{2}(aq)+2e^{-}\rightleftharpoons 2I^{-}(aq)\qquad E^{0}=0.54V} } כאשר מחברים חצי תא תקני של יוד לחצי תא תקני של מימן, אכן יוד מתחזר (הוא מחמצן את המימן). תגובת התא תהיה לכן,   2 H 2 O + I 2 ( a q ) + H 2 ( g ) ⇌ 2 I − ( a q ) + 2 H 3 O + ( a q ) {\displaystyle \ \mathrm {2H_{2}O+I_{2}(aq)+H_{2}(g)\rightleftharpoons 2I^{-}(aq)+2H_{3}O^{+}(aq)} } עם פוטנציאל תקני של 0.54 וולט. אם, לעומת זאת, הפוטנציאל התקני של חצי תא, כפי שהוא נתון בטבלה (בצורת חיזור) הוא שלילי (   E 0 < 0 {\displaystyle \ \mathrm {E^{0}<0} } ), אזי פירושו שבחיבור חצי תא זה לאלקטרודת מימן תקנית, התגובה ההפוכה היא אשר תצא לפועל. נתבונן לדוגמה בחצי תא של מגנזיום:   M g + 2 ( a q ) + 2 e − ⇌ M g ( s ) E 0 = − 2.372 V {\displaystyle \ \mathrm {Mg^{+2}(aq)+2e^{-}\rightleftharpoons Mg(s)\qquad E^{0}=-2.372V} } מכיוון שהפוטנציאל הוא שלילי (יחסית לאלקטרודת מימן) התגובה הנ"ל לא תצא לפועל באופן ספונטני כאשר נחבר את חצי התא של מגנזיום כנגד חצי התא של מימן. מכאן, התגובה ההפוכה, כלומר - חימצון של מגנזיום, היא אשר תתרחש באופן ספונטני, והמימן יתחזר בחצי התא השני. אם הופכים את חצי התא של המגנזיום[דרושה הבהרה], אזי הסימן של   E 0 {\displaystyle \ \mathrm {E^{0}} } משתנה.   M g ( s ) ⇌ M g + 2 ( a q ) + 2 e − E 0 = + 2.372 V {\displaystyle \ \mathrm {Mg(s)\rightleftharpoons Mg^{+2}(aq)+2e^{-}\qquad E^{0}=+2.372V} } ותגובה זו תהיה התגובה הספונטנית. התגובה הכוללת תהיה לכן:   M g ( s ) + 2 H 3 0 + ( a q ) ⇌ M g + 2 ( a q ) + 2 H 2 O + H 2 ( g ) E 0 = + 2.372 V {\displaystyle \ \mathrm {Mg(s)+2H_{3}0^{+}(aq)\rightleftharpoons Mg^{+2}(aq)+2H_{2}O+H_{2}(g)\qquad E^{0}=+2.372V} } תגובה זו תתרחש מעצמה ותספק פוטנציאל של 2.868 וולט. זאת, כל זמן שריכוזי כל החומרים במערכת הם 1.0 מולר. ניתן להפוך את כיוון התגובה הנ"ל (על ידי אילוץ חיצוני), כך שמגנזיום יתחזר ומימן יתחמצן. במקרה זה נקבל את התגובה הבאה:   M g + 2 ( a q ) + 2 H 2 O + H 2 ( g ) ⇌ M g ( s ) + 2 H 3 0 + ( a q ) E 0 = − 2.372 V {\displaystyle \ \mathrm {Mg^{+2}(aq)+2H_{2}O+H_{2}(g)\rightleftharpoons Mg(s)+2H_{3}0^{+}(aq)\qquad E^{0}=-2.372V} } עם פוטנציאל שלילי. כדי שתגובה זו תצא לדרך, אנו חייבים לספק מתח חיצוני גדול יותר מ-2.372 וולט. תא זה, בו מתרחשת תגובה מאולצת על ידי כוח חיצוני, נקרא תא אלקטרוליטי, בניגוד לתא גלווני (או תא וולטאי), שבו התגובה מתרחשת באופן ספונטני, והתא מספק לנו מתח (סוללה). מתח זה שאנו משיגים מתגובות ספונטניות, או אנו משקיעים במעגל כדי לאלץ תגובות להתרחש בניגוד לכיוונן הטבעי, נקרא הכוח האלקטרו מניע (כא"מ). כוח אלקטרו מניע זה מהווה את מקור הסוללה, ונובע מתנועת אלקטרונים, שהיא פועל יוצא של תגובה כימית. ניתן גם להפעיל כוח אלקטרו מניע במעגל, להרצת אלקטרונים בכיוון מסוים, וכך לגרום לתגובה הכימית להתרחש (אלקטרוליזה). לפיכך:   E 0 > 0 {\displaystyle \ \mathrm {E^{0}>0} } : תגובה ספונטנית (כמו בתא גלווני)   E 0 < 0 {\displaystyle \ \mathrm {E^{0}<0} } : תגובה מאולצת (כמו בתא אלקטרוליטי) חישוב של פוטנציאל תא סטנדרטי יכול להתבסס על נתונים תרמודינמיים של התגובה הכוללת, כפי שמבוטאים במשוואה הבאה:   E 0 = − Δ G 0 n F = − Δ H 0 − T Δ S n F {\displaystyle \ \mathrm {E^{0}={\frac {-\Delta G^{0}}{nF}}} ={\frac {-\Delta H^{0}-T\Delta S}{nF}}} כש-   Δ G 0 {\displaystyle \ \mathrm {\Delta G^{0}} } מייצג את האנרגיה החופשית של התגובה (בג'אול למול), שהיא למעשה שינוי האנתלפיה התקני   Δ H 0 {\displaystyle \ \mathrm {\Delta H^{0}} } פחות מכפלת הטמפרטורה בשינוי האנטרופיה   T Δ S {\displaystyle \ \mathrm {T\Delta S} } .   n {\displaystyle \ \mathrm {n} } הוא מספר מולי האלקטרונים העוברים בתגובה, ו-   F {\displaystyle \ \mathrm {F} } הוא קבוע פאראדיי שערכו 96,485 קולון למול. לדוגמה: עבור תגובת הפירוק של מים למימן ולחמצן   H 2 O ⇌ H 2 + 0.5 O 2 {\displaystyle \ \mathrm {H_{2}O^{\rightleftharpoons }H_{2}+0.5O_{2}} } , ערך האנרגיה החופשית של התגובה הוא   Δ G 0 = 237.2 K J m o l {\displaystyle \ \mathrm {\Delta G^{0}=237.2{\frac {KJ}{mol}}} } , בנוסף, בתהליך עוברים 2 מול אלקטרונים, ולכן נקבל:   E 0 = − Δ G 0 n F = − 237 , 200 J / m o l 2 ⋅ 96 , 485   C / m o l = − 1.23 V {\displaystyle \ \mathrm {E^{0}={\frac {-\Delta G^{0}}{nF}}} ={\frac {-237,200J/mol}{2\centerdot 96,485\ C/mol}}=-1.23V} הערך שקיבלנו עבור פוטנציאל התא הכולל הוא   E 0 = − 1.23 V {\displaystyle \ \mathrm {E^{0}=-1.23V} } . הערך הוא בסימן שלילי, והמשמעות היא שהתגובה היא מאולצת (לא ספונטנית), כלומר, על מנת שהיא תתרחש יש להזרים אנרגיה, כמו שנעשה בתא אלקטרוליטי. טבלת פוטנציאלי חיזור תקניים אלקטרוכימיה חמצון-חיזור משוואת נרנסט