Насыщенный каломельный электрод

Насыщенный каломельный электрод (SCE) представляет собой электрод сравнения, основанный на реакции между элементарной ртутью и хлоридом ртути(I) . Его широко заменили хлоридсеребряными электродами , однако каломельный электрод имеет репутацию более прочного. Водная фаза, контактирующая с ртутью и хлоридом ртути(I) (Hg ₂ Cl ₂ , « каломель »), представляет собой насыщенный раствор хлорида калия в воде. Электрод обычно связан через пористую фритту (иногда соединенную с солевым мостиком ) с раствором, в который погружен другой электрод.

В обозначениях ячеек электрод записывается как:

${\ce {{Cl^{-}}(4M)|{Hg2Cl2(s)}|{Hg(l)}|Pt}}$

Теория электролиза

Продукт растворимости

Электрод основан на окислительно-восстановительных реакциях.

${\ce {Hg2^2+ + 2e^- <=> 2Hg(l)}},\qquad {\ce {with}}\quad E_{{\ce {Hg2^2+/Hg}}}^{0}=+0.80\ {\ce {V}}$

${\ce {Hg2Cl2 + 2e^- <=> 2Hg(l) + 2Cl^-}},\qquad {\ce {with}}\quad E_{{\ce {Hg2Cl2/Hg, Cl-}}}^{0}=+0.27\ {\ce {V}}$

Полуреакции можно уравновесить следующей реакцией

${\ce {Hg2^2+ + 2Cl^- + 2Hg(l) <=> Hg2Cl2(s) + 2Hg(l)}},\qquad {\ce {with}}\quad E_{{\ce {Hg2Cl2/Hg2^2+, Cl-}}}^{0}=+0.53\ {\ce {V}}$.

Ее можно упростить до реакции осаждения с константой равновесия продукта растворимости .

${\ce {Hg2^2+ + 2Cl^- <=> Hg2Cl2(s)}},\qquad K_{sp}=a_{{\ce {Hg2^2+}}}a_{{\ce {Cl-}}}^{2}=[{\ce {Hg2^2+}}]\cdot [{\ce {Cl-}}]^{2}$

Уравнения Нернста для этих полуреакций:

${\begin{cases}E_{{\frac {1}{2}}{\ce {cathode}}}&=E_{{\ce {Hg_2^2+/Hg}}}^{0}-{\frac {RT}{2F}}\ln {\frac {1}{a_{{\ce {Hg2^2+}}}}}\qquad &{\text{in which}}\quad E_{{\ce {Hg2^2+/Hg}}}^{0}=+0.80\ {\ce {V}}.\\E_{{\frac {1}{2}}{\ce {anode}}}&=E_{{\ce {Hg2Cl2/Hg,Cl-}}}^{0}-{\frac {RT}{2F}}\ln a_{{\ce {Cl-}}}^{2}\qquad &{\text{in which}}\quad E_{{\ce {Hg2Cl2/Hg, Cl-}}}^{0}=+0.27\ {\ce {V}}.\\\end{cases}}$

Уравнение Нернста для равновесной реакции:

${\begin{aligned}E_{{\ce {cell}}}&=E_{{\frac {1}{2}}{\ce {cathode}}}-E_{{\frac {1}{2}}{\ce {anode}}}\\&=E_{{\ce {Hg2Cl2/Hg2^2+, Cl-}}}^{0}-{\frac {RT}{2F}}\ln {\frac {1}{{\ce {[Hg2^2+]}}\cdot {\ce {[Cl^-]}}^{2}}}\\&=E_{{\ce {Hg2Cl2/Hg2^2+, Cl-}}}^{0}-{\frac {RT}{2F}}\ln {\frac {1}{K_{sp}}}\qquad {\text{in which}}\quad E_{{\ce {Hg2Cl2/Hg2^2+, Cl-}}}^{0}=+0.53\ {\ce {V}}\end{aligned}}$

где Е ⁰ – стандартный электродный потенциал реакции, а – _Hg активность катиона ртути.

В равновесии,

$\Delta G=-nFE=0\mathrm {J/mol}$или эквивалентно $E_{\text{cell}}=0\ \mathrm {V}$.

Это равенство позволяет найти произведение растворимости.

$E_{\text{cell}}=E_{{\ce {Hg2Cl2/Hg2^2+, Cl-}}}^{0}-{\frac {RT}{2F}}\ln {\frac {1}{{\ce {[Hg2^2+]}}\cdot {\ce {[Cl^-]}}^{2}}}=+0.53+{\frac {RT}{2F}}\ln {K_{sp}}=0\ {\ce {V}}$

${\begin{aligned}\ln {K_{sp}}&=-0.53\cdot {\frac {2F}{RT}}\\K_{sp}&=e^{-0.53\cdot {\frac {2F}{RT}}}\\&=[{\ce {Hg2^2+}}]\cdot [{\ce {Cl-}}]^{2}=1.184\times 10^{-18}\end{aligned}}$

Из-за высокой концентрации хлорид-ионов концентрация ионов ртути ( ${\ce {[Hg2^2+]}}$) низкий. Это снижает риск отравления ртутью для пользователей и других проблем, связанных с ртутью.

потенциал SCE

${\ce {Hg2Cl2 + 2e- <=> 2Hg(l) + 2Cl^-}},\qquad {\ce {with}}\quad E_{{\ce {Hg2Cl2/Hg, Cl-}}}^{0}=+0.27\ {\ce {V}}$

${\begin{aligned}E_{{\frac {1}{2}}{\ce {SCE}}}&=E_{{\ce {Hg2Cl2/Hg,Cl-}}}^{0}-{\frac {RT}{2F}}\ln a_{{\ce {Cl-}}}^{2}\\&=+0.27-{\frac {RT}{F}}\ln[{\ce {Cl-}}].\end{aligned}}$

Единственной переменной в этом уравнении является активность (или концентрация) хлорид-аниона. Но так как внутренний раствор насыщен хлоридом калия, то эта активность фиксируется растворимостью хлорида калия, которая составляет: ⁠ 342 г/л / 74,5513 г/моль ⁠ = 4,587 М при 20 °C . Это дает SCE потенциал +0,248 В относительно SHE при 20 °C и +0,244 В против SHE при 25 °C. но немного выше, когда раствор хлорида менее насыщен. Например, 3,5 М раствор электролита KCl имеет повышенный опорный потенциал +0,250 В по сравнению с SHE при 25 ° C, тогда как 1 М раствор имеет потенциал +0,283 В при той же температуре.

Приложение

SCE используется для измерения pH , циклической вольтамперометрии и общей водной электрохимии .

Этот электрод и электрод сравнения серебро/хлорид серебра работают одинаково. В обоих электродах активность иона металла фиксируется растворимостью соли металла.

Каломельный электрод содержит ртуть, которая представляет гораздо большую опасность для здоровья, чем металлическое серебро , используемое в электроде Ag/AgCl.

См. также

• Циклическая вольтамперометрия
• Стандартный водородный электрод
• Таблица стандартных электродных потенциалов
• Электрод сравнения

Ссылки

• Банус МГ (июнь 1941 г.). «Конструкция насыщенного каломельного электрода». Наука . 93 (2425): 601–602. дои : 10.1126/science.93.2425.601-a . ПМИД   17795970 . S2CID   39905013 .