سری الکتروشیمیایی و پتانسیل استاندارد(E0)

معمای اندازه‌گیری پتانسیل: چرا به یک «مبنا» نیاز داریم؟

ما نمی‌توانیم پتانسیل (ولتاژ) یک نیم‌سلول را به تنهایی اندازه بگیریم؛ ولت‌سنج همیشه اختلاف پتانسیل بین دو نیم‌سلول را نشان می‌دهد. درست مانند ارتفاع که به تنهایی معنا ندارد و همیشه نسبت به سطح دریا (مبدأ صفر) سنجیده می‌شود.

بنابراین، شیمیدان‌ها تصمیم گرفتند یک نیم‌سلول را به عنوان مبدأ (صفر) انتخاب کنند و پتانسیل بقیه نیم‌سلول‌ها را با اتصال به آن بسنجند. این مبدأ استاندارد، الکترود استاندارد هیدروژن (SHE - Standard Hydrogen Electrode) نام دارد.

۲. کالبدشکافی الکترود استاندارد هیدروژن (SHE)

از آنجا که هیدروژن گاز است و تیغه فلزی ندارد، ساختار SHE کمی متفاوت است:

• الکترود (رسانا): یک قطعه پلاتین (\(Pt\)). پلاتین بی‌اثر است، در واکنش شرکت نمی‌کند و فقط سطح بستر و مسیر عبور الکترون‌ها را فراهم می‌کند.

• • گاز هیدروژن (\(H_{2}\)​): با فشار استاندارد ۱ اتمسفر به درون محلول حباب زده می‌شود.

• • الکترولیت: محلولی اسیدی با غلظت یون هیدروژن (\(H^+\) یا \(H_3O^+\)) برابر با 1 مول بر لیتر (مانند محلول 1M هیدروکلریک اسید).
  • دما: 25 درجه سانتی‌گراد (298K).
  در این شرایط، پتانسیل کاهشی استاندارد هیدروژن به صورت قراردادی دقیقاً صفر ولت در نظر گرفته می‌شود:\[2H^+(aq, 1M) + 2e^- \rightleftharpoons H_2(g, 1atm) E^\circ = 0.00V\]3. تولید جدول سری الکتروشیمیایی
  برای تعیین پتانسیل کاهشی استاندارد (\(E^\circ\)) هر فلز، نیم‌سلول استاندارد آن فلز را به SHE متصل می‌کنند و عدد ولت‌سنج را می‌خوانند.
  حالت الف: فلز تمایل بیشتری به از دست دادن الکترون (اکسایش) نسبت به هیدروژن داشته باشد (مانند روی \(Zn\)یا آهن \(Fe\)):
  • اگر روی را به SHE متصل کنیم، روی الکترون می‌دهد (آند) و هیدروژن الکترون می‌گیرد (کاتد).
• • چون روی در رقابت برای گرفتن الکترون از هیدروژن شکست خورده است، پتانسیل کاهشی آن منفی گزارش می‌شود. 
  • مثال: \(E^{\circ}(Zn^{2+}/Zn) = -0.76V\) 
  حالت ب: فلز تمایل کمتری به از دست دادن الکترون نسبت به هیدروژن داشته باشد (مانند مس \(Cu\)، نقره \(Ag\)، طلا \(Au\)): 
  • اگر مس را به SHE متصل کنیم، هیدروژن (در نقش آند) الکترون می‌دهد و یون‌های مس (در نقش کاتد) الکترون می‌گیرند. 
  • چون مس در رقابت برای گرفتن الکترون پیروز شده است، پتانسیل کاهشی آن مثبت گزارش می‌شود. 
  • مثال: \(E^{\circ}(Cu^{2+}/Cu) = +0.34V\) 
  با مرتب کردن این اعداد از بیشترین مقدار (بالا) به کمترین مقدار (پایین)، سری الکتروشیمیایی شکل می‌گیرد. 
  ۴. تحلیل روندهای سری الکتروشیمیایی (مهم‌ترین بخش برای کنکور) 
  جدول سری الکتروشیمیایی کتاب درسی (که معمولاً فلوئور در بالا و لیتیم در پایین آن است) بر اساس نیم‌واکنش‌های کاهش نوشته شده است: \[M^{n+} + ne^{-} \rightleftharpoons M \quad (E^{\circ})\]• بالای  جدول :اکسنده‌ها (گونه‌هایی که الکترون می‌گیرند).

• • پایین جدول : کاهنده‌ها (الکترون می‌دهند).

• قوانین طلایی استخراج‌شده از سری الکتروشیمیایی:

• 1. هرچه \(E^{\circ }\) مثبت‌تر باشد (بالای جدول):

• • تمایل به گرفتن الکترون (کاهش) بیشتر است.

• • در سلول گالوانی تمایل دارد کاتد باشد.

• • هرچه \(E^{\circ }\)منفی‌تر باشد (پایین جدول):

• • تمایل به از دست دادن الکترون (اکسایش) بیشتر است.

• • در سلول گالوانی تمایل دارد آند باشد.

• • این فلزات (دارای \(E^{\circ }\)منفی) فعال‌ترند و با اسیدها واکنش داده، گاز \(H_{2}\)آزاد می‌کنند .فلزات دارای \(E^{\circ }\) مثبت (مثل \(Cu,Ag,Au,pt\)) با اسیدهای معمولی واکنش نمی‌دهند.

• ۵. قانون تعیین آند و کاتد در سلول گالوانی بر اساس \(E^{\circ }\)

• وقتی دو نیم‌سلول به هم متصل می‌شوند تا سلول گالوانی بسازند:

• • نیم‌سلولی که \(E^{\circ }\)کوچکتر (منفی‌تر یا کمتر مثبت) دارد ←تمایل به اکسایش بیشتر ←آند (قطب منفی).

• • نیم‌سلولی که \(E^{\circ }\)بزرگتر (مثبت‌تر یا کمتر منفی) دارد ← تمایل به کاهش بیشتر ←کاتد (قطب مثبت).

• رمز تستی : «کوچیکه الکترون می‌ده (آند می‌شه)، بزرگه الکترون می‌گیره (کاتد می‌شه).»