Окислительно-восстановительные электроды

Существуют растворы, содержащие в своем составе два вещества, в которых атомы одного и того же элемента находятся в разной степени окисленности. Такие растворы называются иначе окислительно-восстановительными системами или редокс-системами(от латинского«reduction»– восстановление и «oxydation» – окисление).

Присутствующие в растворе молекулы или ионы, содержащие в своем составе атомы элемента с более высоким значением степени окисления, называются при этом окисленной формой, а те частицы, в состав которых входят атомы элемента с меньшей степенью окисления – восстановленной формой.

Редокс-системы часто записываются в виде дроби, причем окисленная форма помещается в числитель, а восстановленная – в знаменатель. Наиболее распространенными редокс-системами являются растворы двух солей, в которых атомы одного и того же металла имеют разную степень окисления, например:

 

1) раствор FeCl2и FeCl3(Fe3+/Fe2+)

окисленная восстановленная

форма форма

2) раствор K4[Fe(CN)6] иK3[Fe(CN)6]([Fe3+(CN)6]3–/[Fe2+(CN)6]4–

окисленная восстановленная

форма форма

3) SnCl2иSnCl4(Sn4+/Sn2+)

окисленная восстановленная

форма форма

4) MnSO4иKMnO4( Mn+7O4 / Mn2+ )

окисленная восстановленная

форма форма

5) K2Cr2O7иCr2(SO4)3 (Cr2+6O72–/2Cr3+)

окисленная восстановленная

форма форма

 

В водном растворе обе эти формы могут обратимо превращаться друг в друга с установлением между ними динамического равновесия. Протекающие при этом процессы бывают двух видов.

1. Переход окисленной формы в восстановленную и наоборот заключается только в обмене между ними электронами:

Fe3+ + ē «Fe2+

 

[Fe3+[(CN)6]]3– + ē «[Fe2+(CN)6]4–

 

Sn4+ + 2ē «Sn2+

 

2. Переход окисленной формы в восстановленную, кроме обмена электронами, сопровождается участием в этом процессе других частиц, чаще всего ионов Н+ и молекул Н2О:

 

Mn+7O4 + 8H+ + 5ē «Mn2+ + 4H2O

 

Cr2+6O72– + 14H+ + 6ē « 2Cr3+ + 7H2O

 

Br+O + H2O + 2ē « Br + 2OH

 

Если в водный раствор, содержащий окислительно-восстановительную систему, опустить пластинку из инертного по отношению к её компонентам электропроводящего материала: благородного металла (Au, Pt) или графита – на ней будет наблюдаться образование электрического заряда за счет обмена электронами:

 

Red Pt Ox

восстановленная окисленная

форма форма

 

При этом данная пластинка (например, платиновая) выступает в качестве посредника при обмене электронами между окисленной и восстановленной формами. Конечно, возможен обмен электронами между ионами и напрямую, но для его совершения требуются гораздо большие энергетические затраты, чем при переходе электронов от восстановленной формы на инертный металл и затем с поверхности металла на окисленную форму.

В случае избыточного содержания в растворе восстановленной формы (донора электронов) часть перешедших на пластинку электронов так и останутся невостребованными и задержатся на ней, сообщая пластинке отрицательный, относительно раствора, электрический заряд.

При избытке окисленной формы (акцептора электронов) в ходе установления состояния равновесия на её частицы перейдет и часть собственных электронов платины. В результате этого на пластинке образуется положительный, относительно раствора, электрический заряд.

Систему, состоящую из пластинки инертного металла, опущенной в раствор, содержащий окисленную и восстановленную формы одного и того же элемента, называют окислительно-восстановительным электродом (редокс-электродом), а возникающий на ней потенциал – окислительно-восстановительным потенциалом или редокс-потенциалом.

Характерной особенностью такого электрода является то, что металлическая пластинка не претерпевает в происходящих процессах никакого химического изменения и выполняет роль лишь передатчика электронов. Ионы или атомы металла пластинки в химическое взаимодействие с компонентами раствора не вступают. Их самопроизвольный переход с поверхности пластинки в раствор за счет действия молекул растворителя настолько мал, что им можно пренебречь.