Механізм виникнення електродних потенціалів

Якщо пластинку металу, наприклад цинку, занурити в чисту воду чи розведений розчин його солі, то іони Цинку, що знаходяться в поверхневому шарі пластинки, під дією полярних молекул води частково переходять у розчин, а вільні електрони, що знаходяться в ґратах металу залишаються на поверхні пластинки, заряджаючи її негативно. Пластинка при цьому стає негативним електродом.

Метал Розчин Метал Розчин

а б

Рис.2 Схема виникнення подвійного електричного шару на межі розділу метал - розчин

Гідратовані іони Цинку електростатично притягуються до пластинки й утворюється подвійний електричний шар (рис.2а). Між цими двома зарядженими шарами існує різниця потенціалів чи, як часто говорять, скачок потенціалу, чи просто електродний потенціал.

Величина потенціалу залежить від природи металу, концентрації його іонів у розчині і природи розчинника. При великій концентрації іонів металу в розчині вони можуть переходити на металеву пластину, надбудовуючи кристалічну гратку металу. Для нейтралізації цих іонів вільних електронів не вистачає і металева пластинка одержує позитивний заряд. У цьому випадку аніони електроліту електростатично притягаються до пластинки, і також утворюється подвійний електричний шар із протилежним розподілом зарядів (рис.2б). Процес переходу іонів металу в розчин чи з розчину продовжується до того часу, доки встановиться стан рівноваги між металом і розчином його солі.

Таким чином, у загальному вигляді при зануренні металевого електрода в розчин, що містить однойменні з металом іони, на поверхні розподілу двох фаз завжди виникає потенціал. Цей потенціал виникає при взаємодії поверхневих атомів з полярними молекулами води. У результаті цієї взаємодії відбувається перехід гідратованих катіонів металу в розчин. Електрони, що залишаються на межі метал – розчин, установлюють динамічну рівновагу:

,

де n – число електронів, що приймають участь у електродному процесі. Між металом і розчином утворюється подвійний електричний шар, що характеризується певним стрибком потенціалу – електроднимпотенціалом (). Величина електродного потенціалу залежить від природи і концентрації іонів, що беруть участь в електродному процесі, і температури. Ця залежність виражається рівнянням Нернста:

,

де [Meⁿ⁺] - концентрація іонів металу в розчині, моль/л;

- стандартний електродний потенціал, В.

Концетрацію іонів у розчині можна визначити за формулою: [Ме ⁿ⁺ ] = C_M ·a · k,

де С_М – молярна концентрація розчину електроліту, моль/л;

k – кількість іонів металу, що утворяться при дисоціації однієї молекули електроліту;

a - ступінь електролітичної дисоціації електроліту.