მემბრანის ელექტრული პოტენციალიარსებობს სხეულის თითქმის ყველა უჯრედში. ზოგიერთ უჯრედს, როგორიცაა ნერვული და კუნთოვანი უჯრედები, შეუძლია სწრაფად ცვალებადი ელექტროქიმიური იმპულსების წარმოქმნა, რომლებიც გამოიყენება ამ უჯრედების მემბრანების გასწვრივ სიგნალების გადასაცემად. სხვა ტიპის უჯრედებში, როგორიცაა ჯირკვლოვანი, მაკროფაგები და მოციმციმე უჯრედები, მემბრანის პოტენციალის ადგილობრივი ცვლილებები ასევე ააქტიურებს ბევრ უჯრედულ ფუნქციას. ეს თავი განიხილავს მემბრანის პოტენციალს, რომელიც წარმოიქმნება მოსვენებული და აქტიური ნერვული და კუნთოვანი უჯრედებით.

დიფუზიის პოტენციალიმემბრანის ორივე მხარეს იონური კონცენტრაციების სხვაობის გამო. კალიუმის იონების კონცენტრაცია ნერვულ ბოჭკოში მაღალია, მაგრამ გარეთ ძალიან დაბალია. დავუშვათ, რომ ამ შემთხვევაში მემბრანა გამტარია კალიუმის იონებისთვის, მაგრამ გაუვალია სხვა იონებისთვის. დიდი კონცენტრაციის გრადიენტის გამო, არსებობს დიდი ტენდენცია კალიუმის იონების დიდი რაოდენობით გავრცელების უჯრედიდან მემბრანის გასწვრივ. დიფუზიის პროცესში ისინი ატარებენ დადებით ელექტრულ მუხტებს გარედან, რის შედეგადაც მემბრანა გარედან დადებითად და შიგნიდან უარყოფითად დამუხტულია, ვინაიდან შიგნით დარჩენილი უარყოფითი ანიონები კალიუმის იონებთან ერთად არ იშლება უჯრედიდან.

განსხვავება დაახლოებით 1 ms-ში პოტენციალიმემბრანის შიდა და გარე მხარეებს შორის, რომელსაც დიფუზიის პოტენციალი ეწოდება, ხდება საკმარისად დიდი, რათა დაბლოკოს კალიუმის იონების შემდგომი დიფუზია გარეთ, მიუხედავად მათი მაღალი კონცენტრაციის გრადიენტისა. ძუძუმწოვრების ნერვულ ბოჭკოებში, ამისათვის საჭირო პოტენციური სხვაობა არის დაახლოებით 94 მვ, ბოჭკოს შიგნით უარყოფითი მუხტით. ამ იონებს ასევე აქვთ დადებითი მუხტი, მაგრამ ამჯერად მემბრანა უაღრესად გამტარია ნატრიუმის იონების მიმართ და გაუვალია სხვა იონებისთვის. დადებითად დამუხტული ნატრიუმის იონების ბოჭკოში დიფუზია ქმნის მემბრანულ პოტენციალს ფიგურაში მემბრანული პოტენციალის საპირისპირო პოლარობის - უარყოფითი მუხტით გარედან და დადებითი მუხტით შიგნით.

როგორც პირველ შემთხვევაში, მემბრანის პოტენციალის დროსმილიწამის ფრაქცია საკმარისი ხდება ბოჭკოში ნატრიუმის იონების დიფუზიის შესაჩერებლად. ამ შემთხვევაში, ძუძუმწოვრების ნერვული ბოჭკოებისთვის პოტენციალი არის დაახლოებით 61 mV დადებითი მუხტით ბოჭკოში.

ამრიგად, განსხვავება იონის კონცენტრაციაშერჩევით გამტარი მემბრანის მეშვეობით შესაბამის პირობებში შეიძლება მემბრანული პოტენციალის შექმნა. ამ თავის შემდეგ სექციებში ჩვენ ვაჩვენებთ, რომ მემბრანის პოტენციალის სწრაფი ცვლილებები, რომლებიც შეინიშნება ნერვული და კუნთების იმპულსების გადაცემის დროს, გამოწვეულია დიფუზიის პოტენციალის სწრაფი ცვლილებებით.

კომუნიკაციის დიფუზია პოტენციალიკონცენტრაციის განსხვავებებით. ნერნის პოტენციალი. მემბრანის დიფუზიის პოტენციალის დონეს, რომელიც მთლიანად აჩერებს მემბრანაში კონკრეტული იონის საერთო დიფუზიას, ამ იონისთვის ნერნსტის პოტენციალი ეწოდება. ნერნსტის პოტენციალის სიდიდე განისაზღვრება მემბრანის ორივე მხარეს კონკრეტული იონის კონცენტრაციების თანაფარდობით. რაც უფრო დიდია ეს თანაფარდობა, მით მეტია იონის ტენდენცია ერთი მიმართულებით დიფუზიისკენ და, შესაბამისად, მით უფრო მაღალია ნერნსტის პოტენციალი, რომელიც საჭიროა საერთო დიფუზიის თავიდან ასაცილებლად. შემდეგი ნერნსტის განტოლების გამოყენებით, შეგიძლიათ გამოთვალოთ ნერნსტის პოტენციალი ნებისმიერი მონოვალენტური იონისთვის სხეულის ნორმალურ ტემპერატურაზე (37°C):
EMF (მვ) = ± 61 ლოგი (კონცენტრაცია შიგნით/კონცენტრაცია გარეთ), სადაც EMF არის ელექტრომოძრავი ძალა (პოტენციური განსხვავება).

ამის გამოყენებისას ფორმულებიმემბრანის გარეთ უჯრედშორისი სითხის პოტენციალი ჩვეულებრივ აღიქმება ნულამდე, ხოლო ნერნსტის პოტენციალი წარმოადგენს მემბრანის შიგნით არსებულ პოტენციალს. გარდა ამისა, პოტენციალის ნიშანი დადებითია (+), თუ შიგნიდან გარედან დიფუზური იონი უარყოფითია და უარყოფითი (-), თუ იონი დადებითია. ამიტომ, თუ კალიუმის დადებითი იონების კონცენტრაცია შიგნით 10-ჯერ მეტია, ვიდრე გარეთ, 10-ის მეათე ლოგარითმი არის 1, ამიტომ შიგნით პოტენციალი, ნერნსტის განტოლების მიხედვით, უნდა იყოს -61 მვ.

როგორც უკვე აღვნიშნეთ, კონცენტრაციის ჯაჭვებს დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს, რადგან მათი დახმარებით შესაძლებელია განისაზღვროს ისეთი მნიშვნელოვანი რაოდენობები, როგორიცაა იონების აქტივობის კოეფიციენტი და აქტივობა, ოდნავ ხსნადი მარილების ხსნადობა, გადაცემის რიცხვები და ა.შ. ასეთი ჯაჭვები პრაქტიკულად ადვილია დანერგვა და კონცენტრაციის ჯაჭვის EMF-ის დამაკავშირებელი იონების აქტივობასთან ურთიერთობა ასევე უფრო მარტივია, ვიდრე სხვა ჯაჭვებისთვის. შეგახსენებთ, რომ ელექტროქიმიურ წრეს, რომელიც შეიცავს ორი ამონახსნის საზღვარს, ეწოდება გადაცემის წრე და მისი დიაგრამა გამოსახულია შემდეგნაირად:

Me 1 ½ ხსნარი (I) ხსნარი (II) ½ Me 2 ½ Me 1,

სადაც წერტილოვანი ვერტიკალური ხაზი მიუთითებს ორ ხსნარს შორის დიფუზიის პოტენციალის არსებობაზე, რომელიც არის გალვანი - პოტენციალი წერტილებს შორის, რომლებიც განლაგებულია სხვადასხვა ქიმიური შემადგენლობის ფაზაში და, შესაბამისად, ზუსტად ვერ იზომება. დიფუზიის პოტენციალის სიდიდე შედის წრედის EMF-ის გამოსათვლელ რაოდენობაში:

კონცენტრაციის ჯაჭვის EMF-ის მცირე მნიშვნელობა და მისი ზუსტი გაზომვის საჭიროება განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია დიფუზიის პოტენციალის სრულად აღმოფხვრა ან ზუსტად გამოთვლა, რომელიც წარმოიქმნება ასეთ ჯაჭვში ორი ხსნარის საზღვარზე. განვიხილოთ კონცენტრაციის ჯაჭვი

Me½Me z+½Me z+½Me

მოდით დავწეროთ ნერნსტის განტოლება ამ მიკროსქემის თითოეული ელექტროდისთვის:

მარცხნივ

უფლებისთვის

დავუშვათ, რომ ლითონის იონების აქტივობა მარჯვენა ელექტროდზე მეტია, ვიდრე მარცხენაზე, ე.ი.

მაშინ აშკარაა, რომ j 2 უფრო დადებითია ვიდრე j 1 და კონცენტრაციის წრედის emf (E k) (დიფუზიის პოტენციალის გარეშე) უდრის პოტენციალის სხვაობას j 2 – j 1.

აქედან გამომდინარე,

, (7.84)

შემდეგ T = 25 0 C ტემპერატურაზე , (7.85)

სად და არის Me z + იონების მოლური კონცენტრაციები; g 1 და g 2 არის Me z + იონების აქტივობის კოეფიციენტები, შესაბამისად, მარცხენა (1) და მარჯვენა (2) ელექტროდებზე.

ა) ხსნარებში ელექტროლიტების საშუალო იონური აქტივობის კოეფიციენტების განსაზღვრა

აქტივობის კოეფიციენტის ყველაზე ზუსტად დასადგენად, აუცილებელია კონცენტრაციის ჯაჭვის EMF-ის გაზომვა გადაცემის გარეშე, ე.ი. როდესაც არ არის დიფუზიის პოტენციალი.

განვიხილოთ ელემენტი, რომელიც შედგება ვერცხლის ქლორიდის ელექტროდისგან, რომელიც ჩაეფლო HCl-ის ხსნარში (მოლარობა C m) და წყალბადის ელექტროდი:

(–) Pt, H2 ½HCl½AgCl, Ag (+)

ელექტროდებზე მიმდინარე პროცესები:

(–) H 2 ® 2H + + 2

(+) 2AgCl + 2 ® 2Ag + 2Cl -

დენის წარმოქმნის რეაქცია H 2 + 2AgCl ® 2H + + 2Ag + 2Cl -

ნერნსტის განტოლება

წყალბადის ელექტროდისთვის: (= 1 ატმ)

ვერცხლის ქლორიდისთვის:

ცნობილია, რომ

= (7.86)

იმის გათვალისწინებით, რომ HCl-ის საშუალო იონური აქტივობა არის

და ,

სადაც Cm არის ელექტროლიტის მოლური კონცენტრაცია;

g ± – ელექტროლიტის საშუალო იონური აქტივობის კოეფიციენტი,

ვიღებთ (7.87)

EMF გაზომვის მონაცემებიდან g ± გამოსათვლელად, აუცილებელია ვიცოდეთ ვერცხლის ქლორიდის ელექტროდის სტანდარტული პოტენციალი, რომელიც ამ შემთხვევაში ასევე იქნება EMF სტანდარტული მნიშვნელობა (E 0), ვინაიდან წყალბადის ელექტროდის სტანდარტული პოტენციალი არის 0.

განტოლების (7.6.10) გარდაქმნის შემდეგ ვიღებთ

(7.88)

განტოლება (7.6.88) შეიცავს ორ უცნობ რაოდენობას j 0 და g ±.

Debye-Hückel თეორიის მიხედვით 1-1 ელექტროლიტის განზავებული ხსნარებისთვის

lng ± = –A,

სადაც A არის Debye-ის ზღვრული კანონის კოეფიციენტი და, ამ შემთხვევის საცნობარო მონაცემების მიხედვით, A = 0.51.

ამრიგად, ბოლო განტოლება (7.88) შეიძლება გადაიწეროს შემდეგნაირად:

(7.89)

დასადგენად, შექმენით დამოკიდებულების გრაფიკი დან და ექსტრაპოლაცია C m = 0-მდე (ნახ. 7.19).

ბრინჯი. 7.19. E 0-ის განსაზღვრის გრაფიკი g ± HCl ხსნარის გაანგარიშებისას

ორდინატთა ღერძიდან მოწყვეტილი სეგმენტი იქნება ვერცხლის ქლორიდის ელექტროდის მნიშვნელობა j 0. იცოდეთ, შეგიძლიათ გამოიყენოთ E-ის ექსპერიმენტული მნიშვნელობები და ცნობილი მოლალობა HCl (C m) ხსნარისთვის, განტოლების (7.6.88) გამოყენებით, რომ იპოვოთ g ±:

(7.90)

ბ) ხსნადობის პროდუქტის განსაზღვრა

სტანდარტული პოტენციალების ცოდნა აადვილებს მცირედ ხსნადი მარილის ან ოქსიდის ხსნადობის პროდუქტის გამოთვლას.

მაგალითად, განვიხილოთ AgCl: PR = L AgCl = a Ag + . a Cl -

გამოვხატოთ L AgCl სტანდარტული პოტენციალების მიხედვით, ელექტროდის რეაქციის მიხედვით

AgCl – AgCl+,

მუშაობს II ტიპის ელექტროდზე

Cl – / AgCl, Ag

და რეაქციები Ag + + Ag,

მუშაობს I ტიპის ელექტროდზე დენის წარმომქმნელი რეაქციით

Cl – + Ag + ®AgCl

; ,

რადგან j 1 = j 2 (ელექტროდი იგივეა) ტრანსფორმაციის შემდეგ:

(7.91)

= პიარი

სტანდარტული პოტენციალების მნიშვნელობები აღებულია საცნობარო წიგნიდან, შემდეგ ადვილია PR-ის გამოთვლა.

გ) საკონცენტრაციო ჯაჭვის დიფუზიის პოტენციალი. ტარების ნომრების განმარტება

განვიხილოთ ჩვეულებრივი კონცენტრაციის ჯაჭვი მარილის ხიდის გამოყენებით დიფუზიის პოტენციალის აღმოსაფხვრელად

(–) Ag½ AgNO 3 ½ AgNO 3 ½ Ag (+)

ასეთი მიკროსქემის ემფ დიფუზიის პოტენციალის გათვალისწინების გარეშე უდრის:

(7.92)

განვიხილოთ იგივე წრე მარილის ხიდის გარეშე:

(–) Ag½ AgNO 3 AgNO 3 ½ Ag (+)

კონცენტრაციის წრედის EMF დიფუზიის პოტენციალის გათვალისწინებით:

E KD = E K + j D (7.93)

ხსნარში გავატაროთ 1 ფარადე ელექტროენერგია. თითოეული ტიპის იონი გადასცემს ელექტროენერგიის ამ რაოდენობის ნაწილს, რომელიც უდრის მის სატრანსპორტო რიცხვს (t + ან t –). ელექტროენერგიის რაოდენობა, რომელსაც კათიონები და ანიონები გადასცემენ, ტოლი იქნება t +. F და t – . F შესაბამისად. სხვადასხვა აქტივობის ორი AgNO 3 ხსნარის შეხების საზღვარზე წარმოიქმნება დიფუზიის პოტენციალი (j D). კათიონები და ანიონები, დაძლევა (j D), ასრულებენ ელექტრო სამუშაოებს.

1 მოლზე:

DG = –W el = – zFj D = – Fj d (7.94)

დიფუზიის პოტენციალის არარსებობის შემთხვევაში, იონები ასრულებენ მხოლოდ ქიმიურ მუშაობას ხსნარის საზღვრის გადაკვეთისას. ამ შემთხვევაში, სისტემის იზობარული პოტენციალი იცვლება:

ანალოგიურად მეორე გადაწყვეტისთვის:

(7.98)

შემდეგ განტოლების მიხედვით (7.6.18)

(7.99)

მოდით გადავცვალოთ გამოხატულება (7.99), გამოსახულების (7.94) გათვალისწინებით:

(7.100)

(7.101)

სატრანსპორტო რიცხვები (t + და t –) შეიძლება გამოისახოს იონური გამტარებლობის მიხედვით:

;

მერე (7.102)

თუ l – > l +, მაშინ j d > 0 (დიფუზიის პოტენციალი ეხმარება იონების მოძრაობას).

თუ l + > l – , მაშინ j d< 0 (диффузионный потенциал препятствует движению ионов, уменьшает ЭДС). Если l + = l – , то j д = 0.

თუ jd მნიშვნელობას (7.101) განტოლებიდან (7.99) ჩავანაცვლებთ, მივიღებთ

E KD = E K + E K (t – – t +), (7.103)

კონვერტაციის შემდეგ:

E KD = E K + (1 + t – – t +) (7.104)

ცნობილია, რომ t + + t – = 1; შემდეგ t + = 1 – t – და გამოხატულება

(7.105)

თუ ECD გამოვხატავთ გამტარობის თვალსაზრისით, მივიღებთ:

E KD = (7.106)

ECD ექსპერიმენტულად გაზომვით შესაძლებელია იონების სატრანსპორტო რიცხვების, მათი მობილურობის და იონური გამტარობის დადგენა. ეს მეთოდი ბევრად უფრო მარტივი და მოსახერხებელია, ვიდრე ჰიტორფის მეთოდი.

ამრიგად, სხვადასხვა ფიზიკურ-ქიმიური სიდიდის ექსპერიმენტული განსაზღვრის გამოყენებით, შესაძლებელია რაოდენობრივი გამოთვლების ჩატარება სისტემის EMF-ის დასადგენად.

საკონცენტრაციო ჯაჭვების გამოყენებით შესაძლებელია ელექტროლიტების ხსნარებში ცუდად ხსნადი მარილების ხსნადობის, აქტივობის კოეფიციენტისა და დიფუზიის პოტენციალის დადგენა.

ელექტროქიმიური კინეტიკა

თუ ელექტროქიმიური თერმოდინამიკა სწავლობს წონასწორობას ელექტროდის ხსნარის საზღვარზე, მაშინ ამ საზღვარზე პროცესების სიჩქარის გაზომვა და კანონების გარკვევა, რომლებსაც ისინი ემორჩილებიან, არის ელექტროდის პროცესების კინეტიკა ან ელექტროქიმიური კინეტიკა.

ელექტროლიზი

ფარადეის კანონები

ვინაიდან ელექტროქიმიური სისტემების მეშვეობით ელექტრული დენის გავლა დაკავშირებულია ქიმიურ ტრანსფორმაციასთან, უნდა არსებობდეს გარკვეული კავშირი ელექტროენერგიის რაოდენობასა და რეაქციაში მოხვედრილი ნივთიერებების რაოდენობას შორის. ეს დამოკიდებულება აღმოაჩინა ფარადეიმ (1833-1834) და აისახა ელექტროქიმიის პირველ რაოდენობრივ კანონებში, ე.წ. ფარადეის კანონები.

ელექტროლიზი – ქიმიური გარდაქმნების წარმოქმნა ელექტროქიმიურ სისტემაში, როდესაც მასში გადის ელექტრული დენი გარე წყაროდან. ელექტროლიზით შესაძლებელია ისეთი პროცესების განხორციელება, რომელთა სპონტანური წარმოშობა შეუძლებელია თერმოდინამიკის კანონების მიხედვით. მაგალითად, HCl (1M) ელემენტებად დაშლას თან ახლავს გიბსის ენერგიის ზრდა 131,26 კჯ/მოლი. თუმცა, ელექტრული დენის გავლენით ეს პროცესი ადვილად შეიძლება განხორციელდეს.

ფარადეის პირველი კანონი.

ელექტროდებზე რეაგირებადი ნივთიერების რაოდენობა პროპორციულია სისტემაში გამავალი დენის სიძლიერისა და მისი გავლის დროისა.

მათემატიკურად გამოხატული:

Dm = keI t = keq, (7.107)

სადაც Dm არის რეაქციაში მოხვედრილი ნივთიერების რაოდენობა;

ke – გარკვეული პროპორციულობის კოეფიციენტი;

q – ელექტროენერგიის რაოდენობა ძალის ნამრავლის ტოლი

მიმდინარე I დროის თ.

თუ q = ეს = 1, მაშინ Dm = k e, ე.ი. კოეფიციენტი k e წარმოადგენს ნივთიერების რაოდენობას, რომელიც რეაგირებს ელექტროენერგიის ერთეული რაოდენობის გადინებისას. პროპორციულობის კოეფიციენტი k e ეწოდება ელექტროქიმიური ექვივალენტი . ვინაიდან ელექტროენერგიის მოცულობის ერთეულად შეიძლება შეირჩეს სხვადასხვა რაოდენობა (1 C = 1A. s; 1F = 26.8 A. h = 96500 K), მაშინ ერთი და იგივე რეაქციისთვის უნდა განვასხვავოთ ელექტროქიმიური ეკვივალენტები, რომლებიც დაკავშირებულია ამ სამ ერთეულთან: ა კ ე, ა ჰ კ ე და ფ კ ე.

ფარადეის მეორე კანონი.

სხვადასხვა ელექტროლიტების ელექტროქიმიური დაშლის დროს ელექტროდებზე მიღებული ელექტროქიმიური რეაქციის პროდუქტების შემცველობა მათი ქიმიური ეკვივალენტების პროპორციულია.

ფარადეის მეორე კანონის თანახმად, ელექტროენერგიის მუდმივი რაოდენობის დროს, რეაქციაში მოხვედრილი ნივთიერებების მასები დაკავშირებულია ერთმანეთთან, როგორც მათი ქიმიური ეკვივალენტები. ა.

. (7.108)

თუ ელექტროენერგიის ერთეულად ფარადეის ავირჩევთ, მაშინ

Dm 1 = F k e 1; Dm 2 = F k e 2 და Dm 3 = F k e 3, (7.109)

(7.110)

ბოლო განტოლება საშუალებას გვაძლევს გავაერთიანოთ ფარადეის ორივე კანონი ერთი ზოგადი კანონის სახით, რომლის მიხედვითაც ელექტროენერგიის ტოლი ერთი ფარადეის (1F ან 96500 C, ან 26,8 Ah) ყოველთვის ელექტროქიმიურად ცვლის ნებისმიერი ნივთიერების ერთ გრამ ეკვივალენტს, მიუხედავად იმისა. მისი ბუნებით.

ფარადეის კანონები ვრცელდება არა მხოლოდ წყლის და არაწყლიან მარილის ხსნარებზე ჩვეულებრივ ტემპერატურაზე, არამედ მოქმედებს გამდნარი მარილების მაღალტემპერატურული ელექტროლიზის შემთხვევაშიც.

ნივთიერების გამომავალი დენის მიხედვით

ფარადეის კანონები ელექტროქიმიის ყველაზე ზოგადი და ზუსტი რაოდენობრივი კანონებია. თუმცა, უმეტეს შემთხვევაში, მოცემული ნივთიერების უფრო მცირე რაოდენობა განიცდის ელექტროქიმიურ ცვლილებას, ვიდრე გამოითვლება ფარადეის კანონების საფუძველზე. მაგალითად, თუ დენს გაატარებთ თუთიის სულფატის მჟავიან ხსნარში, მაშინ როდესაც 1 F ელექტროენერგია გადის, ჩვეულებრივ გამოიყოფა არა 1 გ-ეკვ თუთია, არამედ დაახლოებით 0,6 გ-ეკვ. თუ ქლორიდების ხსნარები ექვემდებარება ელექტროლიზს, მაშინ 1F ელექტროენერგიის გავლის შედეგად წარმოიქმნება არა ერთი, არამედ ცოტა მეტი 0,8 გ-ეკვივი ქლორის აირი. ფარადეის კანონებიდან ასეთი გადახრები დაკავშირებულია გვერდითი ელექტროქიმიური პროცესების წარმოშობასთან. განხილულ მაგალითებიდან პირველში, კათოდზე რეალურად ხდება ორი რეაქცია:

თუთიის ნალექის რეაქცია

Zn 2+ + 2 = Zn

და წყალბადის გაზის წარმოქმნის რეაქცია

2Н + + 2 = Н 2

ქლორის გამოყოფის დროს მიღებული შედეგები ასევე არ ეწინააღმდეგება ფარადეის კანონებს, თუ გავითვალისწინებთ, რომ დენის ნაწილი იხარჯება ჟანგბადის ფორმირებაზე და, გარდა ამისა, ანოდში გამოთავისუფლებული ქლორი ნაწილობრივ შეიძლება დაბრუნდეს ხსნარში. მეორადი ქიმიური რეაქციებისადმი, მაგალითად, განტოლების მიხედვით

Cl 2 + H 2 O = HCl + HСlO

პარალელური, გვერდითი და მეორადი რეაქციების გავლენის გასათვალისწინებლად შემოიღეს კონცეფცია მიმდინარე გამომავალი P . დენის გამომავალი არის ის ნაწილი, რომელიც მიედინება ელექტროენერგიის რაოდენობას, რომელიც ითვალისწინებს მოცემულ ელექტროდის რეაქციას.

რ = (7.111)

ან პროცენტულად

რ = . 100 %, (7.112)

სადაც q i არის ამ რეაქციაზე დახარჯული ელექტროენერგიის რაოდენობა;

Sq i არის გავლილი ელექტროენერგიის მთლიანი რაოდენობა.

ასე რომ, პირველ მაგალითში, თუთიის მიმდინარე ეფექტურობა არის 60%, ხოლო წყალბადის 40%. ხშირად დენის ეფექტურობის გამოხატულება იწერება სხვა ფორმით:

რ = . 100 %, (7.113)

სადაც q p და q p არის ელექტროენერგიის რაოდენობა, შესაბამისად გამოითვლება ფარადეის კანონის მიხედვით და რეალურად გამოიყენება ნივთიერების მოცემული რაოდენობის ელექტროქიმიური გარდაქმნისთვის.

თქვენ ასევე შეგიძლიათ განსაზღვროთ დენის გამომავალი, როგორც შეცვლილი ნივთიერების რაოდენობის თანაფარდობა Dm p იმ ფაქტთან, რომელიც უნდა რეაგირებდეს, თუ მთელი დენი დაიხარჯებოდა მხოლოდ ამ რეაქციაზე Dm p:

რ = . 100 %. (7.114)

თუ სასურველია რამდენიმე შესაძლო პროცესიდან მხოლოდ ერთი, მაშინ აუცილებელია, რომ მისი მიმდინარე გამომავალი იყოს რაც შეიძლება მაღალი. არის სისტემები, რომლებშიც მთელი დენი იხარჯება მხოლოდ ერთ ელექტროქიმიურ რეაქციაზე. ასეთი ელექტროქიმიური სისტემები გამოიყენება გავლილი ელექტროენერგიის რაოდენობის გასაზომად და უწოდებენ კულომეტრებს, ან კულომეტრებს.

გარე ფიჭური მემბრანა– პლაზმალემა – ძირითადად არის ლიპიდური ფენა, რომელიც წარმოადგენს დიელექტრიკულს. ვინაიდან მემბრანის ორივე მხარეს არის გამტარი საშუალება, მთელი ეს სისტემა, ელექტროინჟინერიის თვალსაზრისით, არის კონდენსატორი. ამრიგად, ცოცხალ ქსოვილში ცვლადი დენი შეიძლება გაიაროს როგორც აქტიური წინააღმდეგობების, ასევე მრავალი მემბრანის მიერ წარმოქმნილი ელექტრული ტევადობის მეშვეობით. შესაბამისად, ცოცხალ ქსოვილში ალტერნატიული დენის გავლის წინააღმდეგობა უზრუნველყოფილი იქნება ორი კომპონენტით: აქტიური R - წინააღმდეგობა ხსნარში მუხტების მოძრაობის მიმართ და რეაქტიული X - წინააღმდეგობა მემბრანულ სტრუქტურებზე ელექტრული ტევადობის დენის მიმართ. რეაქტიულ წინააღმდეგობას აქვს პოლარიზაციის ბუნება და მისი მნიშვნელობა დაკავშირებულია ელექტრული ტევადობის მნიშვნელობასთან ფორმულით:

სადაც C არის ელექტრული ტევადობა, w არის წრიული სიხშირე, f არის დენის სიხშირე.

ეს ორი ელემენტი შეიძლება იყოს დაკავშირებული სერიულად ან პარალელურად.

ცოცხალი ქსოვილის ეკვივალენტური ელექტრული წრე- ეს არის ელექტრული წრედის ელემენტების კავშირი, რომელთაგან თითოეული შეესაბამება შესწავლილი ქსოვილის სტრუქტურის კონკრეტულ ელემენტს.

თუ გავითვალისწინებთ ქსოვილის ძირითად სტრუქტურებს, მივიღებთ შემდეგ დიაგრამას:

სურათი 2 - ცოცხალი ქსოვილის ექვივალენტური ელექტრული წრე

რ - ციტოპლაზმის წინააღმდეგობა,რ მფ - უჯრედშორისი წინააღმდეგობა,Სმ - მემბრანის ელექტრული ტევადობა.

წინაღობის კონცეფცია.

წინაღობა- ელექტრული წრედის აქტიური და რეაქტიული კომპონენტების მთლიანი რთული წინააღმდეგობა. მისი მნიშვნელობა ორივე კომპონენტთან არის დაკავშირებული ფორმულით:

სადაც Z არის წინაღობა, R არის აქტიური წინააღმდეგობა, X არის რეაქტიულობა.

წინაღობის სიდიდე რეაქტიული და აქტიური წინააღმდეგობის სერიაში შეერთებისას გამოიხატება ფორმულით:

რეაქტიული და აქტიური წინააღმდეგობის პარალელურად შეერთებისას წინაღობის სიდიდე იწერება როგორც:

თუ გავაანალიზებთ, თუ როგორ იცვლება წინაღობის მნიშვნელობა R და C ცვლილებებთან ერთად, მივალთ დასკვნამდე, რომ ამ ელემენტების როგორც სერიული, ასევე პარალელური შეერთებისას, აქტიური წინააღმდეგობის R მატებასთან ერთად, წინაღობა იზრდება და რაც იზრდება C, მცირდება და პირიქით.

ცოცხალი ქსოვილის წინაღობა არის ლაბილური სიდიდე, რომელიც პირველ რიგში დამოკიდებულია გაზომილი ქსოვილის თვისებებზე, კერძოდ:

1) ქსოვილის სტრუქტურაზე (წვრილი ან დიდი უჯრედები, მკვრივი ან ფხვიერი უჯრედშორისი სივრცეები, უჯრედის მემბრანების ლიგნიფიკაციის ხარისხი);

2) ქსოვილის წყლის შემცველობა;

4) მემბრანული პირობები.

მეორეც, წინაღობაზე გავლენას ახდენს გაზომვის პირობები:

1) ტემპერატურა;

2) შესამოწმებელი დენის სიხშირე;

3) ელექტრული წრედის დიაგრამა.

როდესაც მემბრანები განადგურებულია სხვადასხვა ექსტრემალური ფაქტორებით, შეინიშნება პლაზმალემის წინააღმდეგობის დაქვეითება, ისევე როგორც აპოპლასტი, უჯრედშორის სივრცეში უჯრედული ელექტროლიტების გამოყოფის გამო.

პირდაპირი დენი ძირითადად მიედინება უჯრედშორის სივრცეებში და მისი სიდიდე დამოკიდებული იქნება უჯრედშორისი სივრცის წინააღმდეგობაზე.

S, nF

ვ, ჰც

10 4

10 6

მშობლიური ნიმუში

გაყინვის ნიმუში

Z, Ohm

ვ, ჰც

10 4

10 6

მშობლიური ნიმუში

გაყინული ნიმუში

სურათი 3 - ქსოვილის ტევადობის (C) და წინააღმდეგობის (R) ცვლილება ალტერნატიული დენის (f) სიხშირის შეცვლისას.

ალტერნატიული დენის შეღავათიანი გზა დამოკიდებულია გამოყენებული ძაბვის სიხშირეზე: სიხშირის მატებასთან ერთად, დენის მზარდი წილი გადავა უჯრედებში (მემბრანებში) და კომპლექსური წინააღმდეგობა მცირდება. ამ ფენომენს - წინაღობის დაქვეითებას ტესტირების დენის გაზრდის სიხშირით - ე.წ ელექტრული გამტარობის დისპერსია.

დისპერსიის დახრილობას ახასიათებს პოლარიზაციის კოეფიციენტი. ცოცხალი ქსოვილების ელექტრული გამტარობის დისპერსია დაბალ სიხშირეებზე პოლარიზაციის შედეგია, ისევე როგორც პირდაპირი დენით. ელექტრული გამტარობა დაკავშირებულია პოლარიზაციასთან - სიხშირის მატებასთან ერთად პოლარიზაციის ფენომენებს ნაკლები ეფექტი აქვს. ელექტრული გამტარობის დისპერსია, ისევე როგორც პოლარიზაციის უნარი, თანდაყოლილია მხოლოდ ცოცხალ ქსოვილებში.

თუ გადავხედავთ, თუ როგორ იცვლება პოლარიზაციის კოეფიციენტი ქსოვილის კვდომისას, მაშინ პირველ საათებში ის საკმაოდ მნიშვნელოვნად იკლებს, შემდეგ მისი კლება შენელდება.

ძუძუმწოვრების ღვიძლს აქვს პოლარიზაციის კოეფიციენტი 9-10, ბაყაყის ღვიძლს 2-3: რაც უფრო მაღალია მეტაბოლიზმის დონე, მით უფრო მაღალია პოლარიზაციის კოეფიციენტი.

პრაქტიკული მნიშვნელობა.

1. ყინვაგამძლეობის განსაზღვრა.

2. წყლის ხელმისაწვდომობის განსაზღვრა.

3. ადამიანის ფსიქო-ემოციური მდგომარეობის განსაზღვრა (ტონუსის მოწყობილობა)

4. სიცრუის დეტექტორის კომპონენტი - პოლიგრაფი.

მემბრანის დიფუზიის პოტენციალი

დიფუზიის პოტენციალი- ელექტრული პოტენციალი, რომელიც წარმოიქმნება მუხტების მიკროსკოპული განცალკევების შედეგად, სხვადასხვა იონების მოძრაობის სიჩქარის განსხვავებების გამო. და მემბრანის მეშვეობით მოძრაობის სხვადასხვა სიჩქარე დაკავშირებულია სხვადასხვა შერჩევით გამტარიანობასთან.

მისი წარმოქმნისთვის აუცილებელია ელექტროლიტების კონტაქტი სხვადასხვა კონცენტრაციით და ანიონებისა და კატიონების განსხვავებული მობილურობით. მაგალითად, წყალბადის და ქლორის იონები (ნახ. 1). ინტერფეისი თანაბრად გამტარია ორივე იონისთვის. H + და Cl - იონების გადასვლა უფრო დაბალი კონცენტრაციებისკენ მოხდება. მემბრანაში გადაადგილებისას H +-ის მობილურობა გაცილებით მაღალია ვიდრე Cl-, ამის გამო ელექტროლიტური ინტერფეისის მარჯვენა მხარეს შეიქმნება იონების დიდი კონცენტრაცია და წარმოიქმნება პოტენციური განსხვავება.

შედეგად მიღებული პოტენციალი (მემბრანის პოლარიზაცია) აფერხებს შემდგომ იონურ ტრანსპორტს, ასე რომ საბოლოოდ მემბრანის მთლიანი დენი შეჩერდება.

მცენარეთა უჯრედებში ძირითადი იონური ნაკადებია K +, Na +, Cl -; ისინი დიდი რაოდენობით გვხვდება უჯრედის შიგნით და გარეთ.

ამ სამი იონის კონცენტრაციისა და მათი გამტარიანობის კოეფიციენტების გათვალისწინებით, შესაძლებელია მემბრანის პოტენციალის სიდიდის გამოთვლა ამ იონების არათანაბარი განაწილების გამო. ამ განტოლებას ეწოდება გოლდმანის განტოლება, ან მუდმივი ველის განტოლება:

სად φ M -პოტენციური სხვაობა, V;

R - გაზის მუდმივი, T - ტემპერატურა; F - ფარადეის ნომერი;

P - იონის გამტარიანობა;

0 - იონების კონცენტრაცია უჯრედის გარეთ;

I არის იონის კონცენტრაცია უჯრედის შიგნით;

დიფუზიის პოტენციალი

ელექტროქიმიურ სქემებში პოტენციური ნახტომები ხდება ელექტროლიტების არათანაბარი ხსნარებს შორის ინტერფეისებზე. ერთი და იგივე გამხსნელის მქონე ორი ხსნარისთვის ასეთ პოტენციურ ნახტომს დიფუზიის პოტენციალი ეწოდება. კოსმოსური ხომალდის ელექტროლიტის ორ ხსნარს შორის შეხების წერტილში, რომლებიც ერთმანეთისგან განსხვავდებიან კონცენტრაციით, იონების დიფუზია ხდება 1-ლი ხსნარიდან, რომელიც უფრო კონცენტრირებულია, მე-2 ხსნარში, რომელიც უფრო განზავებულია. როგორც წესი, კათიონებისა და ანიონების დიფუზიის სიჩქარე განსხვავებულია. დავუშვათ, რომ კათიონების დიფუზიის სიჩქარე მეტია ანიონების დიფუზიის სიჩქარეზე. გარკვეული პერიოდის განმავლობაში პირველი ხსნარიდან მეორეზე მეტი კატიონი გადავა, ვიდრე ანიონები. შედეგად, ხსნარი 2 მიიღებს დადებითი მუხტების ჭარბს, ხოლო 1-ლი უარყოფითი მუხტების ჭარბს. მას შემდეგ, რაც ხსნარები იძენენ ელექტრულ მუხტს, კათიონების დიფუზიის სიჩქარე მცირდება, ანიონების სიჩქარე იზრდება და დროთა განმავლობაში ეს მაჩვენებლები ერთნაირი ხდება. მდგრად მდგომარეობაში ელექტროლიტი დიფუზირდება როგორც ერთი ერთეული. ამ შემთხვევაში, თითოეულ ხსნარს აქვს მუხტი და ხსნარებს შორის დადგენილი პოტენციური სხვაობა შეესაბამება დიფუზიის პოტენციალს. დიფუზიის პოტენციალის გამოთვლა ზოგადად რთულია. ზოგიერთი დაშვების გათვალისწინებით, პლანკმა და ჰენდერსონმა გამოიღეს ფორმულები ცენტრალური მნიშვნელობის გამოსათვლელად. მაგალითად, როდესაც ერთი და იგივე ელექტროლიტის ორი ხსნარი კონტაქტში მოდის სხვადასხვა აქტივობით (b1b2)

სადაც და არის იონების მაქსიმალური მოლური ელექტროგამტარობა. CD-ის ღირებულება მცირეა და უმეტეს შემთხვევაში არ აღემატება რამდენიმე ათეულ მილივოლტს.

ელექტროქიმიური წრის EMF დიფუზიის პოტენციალის გათვალისწინებით

……………………………….(29)

განტოლება (29) გამოიყენება E-ის გაზომვის შედეგების გამოსათვლელად (ან) თუ (ან) და ცნობილია. ვინაიდან დიფუზიის პოტენციალის განსაზღვრა დაკავშირებულია მნიშვნელოვან ექსპერიმენტულ სირთულეებთან, მოსახერხებელია EMF-ის აღმოფხვრა მარილის ხიდის გამოყენებით გაზომვისას. ეს უკანასკნელი შეიცავს კონცენტრირებულ ელექტროლიტის ხსნარს, იონების მოლური ელექტრული გამტარობა დაახლოებით ერთნაირია (KCl, KNO3). მარილის ხიდი, რომელიც შეიცავს, მაგალითად, KS1-ს, მოთავსებულია ელექტროქიმიურ ხსნარებს შორის და ერთი თხევადი საზღვრის ნაცვლად, სისტემაში ჩნდება ორი. ვინაიდან KC1 ხსნარში იონების კონცენტრაცია მნიშვნელოვნად მაღალია, ვიდრე მის მიერთებულ ხსნარებში, თითქმის მხოლოდ K+ და C1- იონები ვრცელდება თხევადი საზღვრებით, სადაც წარმოიქმნება ძალიან მცირე და საპირისპირო ნიშნის დიფუზიის პოტენციალი. მათი თანხის უგულებელყოფა შეიძლება.

ელექტრული ორმაგი ფენის სტრუქტურა

დამუხტული ნაწილაკების გადასვლას ხსნარი-ლითონის საზღვარზე თან ახლავს ელექტრული ორმაგი შრის (DEL) გამოჩენა და ამ საზღვარზე პოტენციური ნახტომი. ელექტრული ორმაგი ფენა იქმნება ლითონზე განლაგებული ელექტრული მუხტებით და საპირისპირო მუხტის იონებით (კონტრონებით), რომლებიც ორიენტირებულია ელექტროდის ზედაპირთან ახლოს ხსნარში.

იონური ფირფიტის ფორმირებაში დ.ე.ს. მონაწილეობს როგორც ელექტროსტატიკური ძალები, რომელთა გავლენითაც კონტრიონები უახლოვდებიან ელექტროდის ზედაპირს, ასევე თერმული (მოლეკულური) მოძრაობის ძალები, რის შედეგადაც დ.ე.ფ. იძენს ბუნდოვან, დიფუზურ სტრუქტურას. გარდა ამისა, ლითონის ხსნარის ინტერფეისზე ორმაგი ელექტრული ფენის შექმნისას მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ზედაპირულად აქტიური იონების და მოლეკულების სპეციფიკური ადსორბციის ეფექტი, რომლებიც შეიძლება შეიცავდეს ელექტროლიტს.

ელექტრული ორმაგი ფენის სტრუქტურა სპეციფიური ადსორბციის არარსებობის შემთხვევაში. დ.ე.ს.-ის შენობის ქვეშ. გააცნობიეროს მუხტის განაწილება მის იონურ ფირფიტაში. მარტივად რომ ვთქვათ, იონური ფირფიტა შეიძლება დაიყოს ორ ნაწილად: 1) მკვრივი, ანუ ჰელმჰოლცი, რომელიც წარმოიქმნება იონებით, რომლებიც თითქმის უახლოვდება ლითონს; 2) დიფუზური, შექმნილი იონებით, რომლებიც მდებარეობს ლითონისგან დაშორებით, რომელიც აღემატება გამხსნელი იონის რადიუსს (ნახ. 1). მკვრივი ნაწილის სისქე დაახლოებით 10-8 სმ, დიფუზური ნაწილის 10-7-10-3 სმ.ელექტრული ნეიტრალიტეტის კანონის მიხედვით.

……………………………..(30)

სადაც არის მუხტის სიმკვრივე ლითონის მხარეს, ხსნარის მხარეს, ემპ-ის მკვრივ დიფუზიურ ნაწილში. შესაბამისად.

ნახ.1. ელექტრული ორმაგი ფენის სტრუქტურა ხსნარ-ლითონის ინტერფეისზე: ab - მკვრივი ნაწილი; bv - დიფუზური ნაწილი.

პოტენციალის განაწილება ელექტრული ორმაგი ფენის იონურ ფირფიტაში, რომელიც ასახავს მის სტრუქტურას, წარმოდგენილია ნახაზ 2-ში. პოტენციური ნახტომის μ სიდიდე ხსნარ-ლითონის ინტერფეისზე შეესაბამება პოტენციური ვარდნის სიდიდეების ჯამს ემპ-ის მკვრივ და დიფუზურ ნაწილში. D.E.S-ის სტრუქტურა. განისაზღვრება ხსნარის მთლიანი კონცენტრაციით.მისი მატებასთან ერთად სუსტდება კონტრაქტიური ნივთიერებების დიფუზია ლითონის ზედაპირიდან ხსნარის მასაში, რის შედეგადაც მცირდება დიფუზური ნაწილის ზომა. ეს იწვევს პოტენციალის ცვლილებას. კონცენტრირებულ ხსნარებში დიფუზური ნაწილი პრაქტიკულად არ არსებობს, ხოლო ორმაგი ელექტრული ფენა ბრტყელი კონდენსატორის მსგავსია, რაც შეესაბამება ჰელმჰოლცის მოდელს, რომელმაც პირველად შემოგვთავაზა ელექტროენერგიის სტრუქტურის თეორია.

ნახ.1. პოტენციალის განაწილება იონურ ფირფიტაში ხსნარის სხვადასხვა კონცენტრაციით: ab - მკვრივი ნაწილი; bv - დიფუზური ნაწილი; ts არის პოტენციური განსხვავება ხსნარსა და ლითონს შორის; w, w1 - პოტენციური ვარდნა ემპის მკვრივ და დიფუზურ ნაწილებში.

ელექტრული ორმაგი ფენის სტრუქტურა სპეციფიკური ადსორბციის პირობებში. ადსორბცია - ნივთიერების კონცენტრაცია ფაზების მოცულობიდან მათ შორის ინტერფეისზე - შეიძლება გამოწვეული იყოს როგორც ელექტროსტატიკური ძალებით, ასევე მოლეკულური ურთიერთქმედების ძალებით, ასევე ქიმიური ძალებით. არაელექტროსტატიკური წარმოშობის ძალებით გამოწვეულ ადსორბციას ჩვეულებრივ უწოდებენ სპეციფიკურს. ნივთიერებებს, რომელთა ადსორბირება შესაძლებელია ინტერფეისზე, ეწოდება ზედაპირულ აქტიურ აგენტებს (სურფაქტანტები). ეს მოიცავს ანიონების უმეტესობას, ზოგიერთ კატიონს და ბევრ მოლეკულურ ნაერთს. ელექტროლიტში შემავალი სურფაქტანტის სპეციფიკური ადსორბცია გავლენას ახდენს ორმაგი შრის სტრუქტურაზე და პოტენციალის მნიშვნელობაზე (ნახ. 3). მრუდი 1 შეესაბამება პოტენციალის განაწილებას ელექტრო ორმაგ ფენაში ხსნარში სურფაქტანტის არარსებობის შემთხვევაში. თუ ხსნარი შეიცავს ნივთიერებებს, რომლებიც წარმოქმნიან ზედაპირულად აქტიურ კატიონებს დისოციაციისას, მაშინ ლითონის ზედაპირის სპეციფიური ადსორბციის გამო, კათიონები შედიან ორმაგი ფენის მკვრივ ნაწილში, გაზრდის მის დადებით მუხტს (მრუდი 2). პირობებში, რომელიც აძლიერებს ადსორბციას (მაგალითად, ადსორბატის კონცენტრაციის ზრდა), მკვრივი ნაწილი შეიძლება შეიცავდეს ჭარბი რაოდენობით დადებით მუხტებს ლითონის უარყოფით მუხტთან შედარებით (მრუდი 3). ორმაგი შრეში პოტენციალის განაწილების მრუდებიდან ირკვევა, რომ პოტენციალი იცვლება კათიონების ადსორბციის დროს და შეიძლება ჰქონდეს ელექტროდის პოტენციალის საპირისპირო ნიშანი.

ნახ.3.

სპეციფიური ადსორბციის ეფექტი შეიმჩნევა აგრეთვე დაუმუხტავ ლითონის ზედაპირზე, ე.ი. იმ პირობებში, როდესაც არ ხდება იონების გაცვლა მეტალსა და ხსნარს შორის. ადსორბირებული იონები და შესაბამისი კონტრიონები ქმნიან ელექტრულ ორმაგ ფენას, რომელიც მდებარეობს ხსნარის მხარეს ლითონთან ახლოს. ადსორბირებული პოლარული მოლეკულები (სურფაქტანტი, გამხსნელი), რომლებიც ორიენტირებულია ლითონის ზედაპირთან, ასევე ქმნის ელექტრო ორმაგ ფენას. პოტენციურ ნახტომს, რომელიც შეესაბამება ელექტრულ ორმაგ ფენას დაუმუხტი ლითონის ზედაპირით, ეწოდება ნულოვანი დამუხტვის პოტენციალი (ZPC).

ნულოვანი მუხტის პოტენციალი განისაზღვრება ლითონის ბუნებით და ელექტროლიტის შემადგენლობით. კათიონების ადსორბციისას პ.ნ.ს. ხდება უფრო დადებითი, ანიონები - უფრო უარყოფითი. ნულოვანი დამუხტვის პოტენციალი ელექტროდების მნიშვნელოვანი ელექტროქიმიური მახასიათებელია. P.s.e-სთან ახლოს მყოფ პოტენციალზე, ლითონების ზოგიერთი თვისება აღწევს ზღვრულ მნიშვნელობებს: ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების ადსორბცია მაღალია, სიმტკიცე მაქსიმალურია, დატენიანება ელექტროლიტური ხსნარებით მინიმალურია და ა.შ.

ელექტრული ორმაგი ფენის თეორიის სფეროში ჩატარებული კვლევის შედეგებმა შესაძლებელი გახადა უფრო ფართოდ განეხილა პოტენციური ნახტომის ბუნების საკითხი ხსნარი-ლითონის ინტერფეისზე. ეს ნახტომი განპირობებულია შემდეგი მიზეზების გამო: დამუხტული ნაწილაკების გადასვლა ინტერფეისზე (), იონების სპეციფიკური ადსორბცია () და პოლარული მოლეკულები (). გალვანური პოტენციალი ხსნარ-ლითონის ინტერფეისზე შეიძლება ჩაითვალოს სამი პოტენციალის ჯამად:

……………………………..(31)

იმ პირობებში, რომლებშიც არ ხდება დამუხტული ნაწილაკების გაცვლა ხსნარსა და ლითონს შორის, ისევე როგორც იონების ადსორბცია, კვლავ რჩება პოტენციური ნახტომი, რომელიც გამოწვეულია გამხსნელის მოლეკულების ადსორბციით - . გალვანის პოტენციალი შეიძლება იყოს ნულის ტოლი მხოლოდ მაშინ, როდესაც და გააუქმებენ ერთმანეთს.

ამჟამად არ არსებობს პირდაპირი ექსპერიმენტული და გამოთვლითი მეთოდები ხსნარი-ლითონის ინტერფეისზე ინდივიდუალური პოტენციური ნახტომების სიდიდის დასადგენად. ამიტომ, საკითხი, თუ რა პირობებში ხდება პოტენციური ნახტომი ნულოვანი (ე.წ. აბსოლუტური ნულოვანი პოტენციალი) ღია რჩება. თუმცა, ელექტროქიმიური პრობლემების უმეტესობის გადასაჭრელად, ინდივიდუალური პოტენციური ნახტომების ცოდნა არ არის საჭირო. საკმარისია გამოიყენოთ ელექტროდის პოტენციალის მნიშვნელობები, რომლებიც გამოხატულია ჩვეულებრივი მასშტაბით, მაგალითად, წყალბადის მასშტაბით.

ელექტრული ორმაგი ფენის სტრუქტურა გავლენას არ ახდენს წონასწორობის ელექტროდის სისტემების თერმოდინამიკურ თვისებებზე. მაგრამ როდესაც ელექტროქიმიური რეაქციები ხდება არაწონასწორობის პირობებში, იონები გავლენას ახდენენ ორმაგი შრის ელექტრული ველით, რაც იწვევს ელექტროდის პროცესის სიჩქარის ცვლილებას.

გალვანურ უჯრედზე საუბრისას, ჩვენ განვიხილეთ მხოლოდ მეტალსა და მისი მარილის ხსნარს შორის ინტერფეისი. მოდით მივმართოთ ორ სხვადასხვა ელექტროლიტის ხსნარებს შორის ინტერფეისს. გალვანურ უჯრედებში ხსნარებს შორის კონტაქტის საზღვრებზე ე.წ დიფუზიის პოტენციალი.ისინი ასევე წარმოიქმნება იმავე ელექტროლიტის ხსნარებს შორის ინტერფეისზე იმ შემთხვევაში, როდესაც ხსნარების კონცენტრაცია არ არის იგივე. ასეთ შემთხვევებში პოტენციალის გაჩენის მიზეზი ხსნარში იონების არათანაბარი მოძრაობაა.

სხვადასხვა შემადგენლობის ან კონცენტრაციის ხსნარებს შორის საზღვარზე პოტენციურ ნახტომს დიფუზიის პოტენციალი ეწოდება.დიფუზიის პოტენციალის მნიშვნელობა, როგორც გამოცდილება გვიჩვენებს, დამოკიდებულია იონების მობილურობის განსხვავებაზე, ასევე კონტაქტში არსებული ხსნარების კონცენტრაციების განსხვავებაზე.

დიფუზიის პოტენციალი შეიძლება განისაზღვროს ექსპერიმენტულად და ასევე გამოითვალოს. ამრიგად, დიფუზიის პოტენციალის (ε D) მნიშვნელობა, რომელიც წარმოიქმნება, როდესაც ერთი და იგივე ელექტროლიტის სხვადასხვა კონცენტრაციის ხსნარები, რომლებიც წარმოქმნიან ერთჯერად დამუხტულ იონებს, კონტაქტში მოდიან, გამოითვლება ფორმულით.

სად ლ კდა ლ ა- ერთი ელექტროლიტის იონების მობილურობა; ლ კდა მე- სხვა ელექტროლიტის იონების მობილურობა.

ემფ-ის ზუსტი გათვლებით. გალვანურ სქემებში უნდა მოხდეს დიფუზიური პოტენციალის მნიშვნელობის კორექტირება, ელექტროლიტების ხსნარებს შორის კალიუმის ქლორიდის გაჯერებული ხსნარის ჩათვლით. ვინაიდან კალიუმის და ქლორის იონების მობილურობა დაახლოებით იგივეა ( ლ K + = 64,4 10 -4 და ლ Cl - = 65,5 · 10 -4 S m 2), მაშინ ასეთი ელექტროლიტით გამოწვეული დიფუზიის პოტენციალი პრაქტიკულად ნულის ტოლი იქნება.

დიფუზიის პოტენციალი შეიძლება წარმოიშვას ბიოლოგიურ ობიექტებშიც, როდესაც, მაგალითად, უჯრედის მემბრანები დაზიანებულია. ამ შემთხვევაში, მათი გამტარიანობის სელექციურობა ირღვევა და ელექტროლიტები იწყებენ დიფუზიას უჯრედში ან მის გარეთ, კონცენტრაციების სხვაობის მიხედვით. ელექტროლიტების დიფუზიის შედეგად ე.წ დაზიანების პოტენციალი, რომელსაც შეუძლია მიაღწიოს 30-40 მილივოლტამდე მნიშვნელობებს. უფრო მეტიც, დაზიანებული ქსოვილი უარყოფითად იმუხტება დაუზიანებელ ქსოვილთან მიმართებაში.

დიფუზიის პოტენციალი შეიძლება მნიშვნელოვნად გაიზარდოს, თუ სხვადასხვა კონცენტრაციის ელექტროლიტების ხსნარები გამოყოფილია სპეციალური მემბრანით, გამტარი მხოლოდ იმავე ნიშნის იონებისთვის.

ზოგიერთ შემთხვევაში, მემბრანის პოტენციალის გამოჩენა განპირობებულია იმით, რომ მემბრანის ფორები არ შეესაბამება გარკვეული ნიშნის იონების ზომებს. მემბრანის პოტენციალი ძალიან სტაბილურია და შეიძლება უცვლელი დარჩეს დიდი ხნის განმავლობაში. მცენარეთა და ცხოველთა ორგანიზმების ქსოვილებში, თუნდაც ერთ უჯრედში, არსებობს მემბრანული და დიფუზიის პოტენციალი უჯრედშიდა შიგთავსის ქიმიური და მორფოლოგიური ჰეტეროგენურობის გამო. სხვადასხვა მიზეზი, რომელიც ცვლის უჯრედის მიკროსტრუქტურების თვისებებს, იწვევს იონების გამოყოფას და დიფუზიას, ანუ სხვადასხვა ბიოპოტენციალისა და ბიოდინების გაჩენას. ამ ბიოდინებების როლი ჯერ ბოლომდე შესწავლილი არ არის, მაგრამ არსებული ექსპერიმენტული მონაცემები მიუთითებს მათ მნიშვნელობაზე ცოცხალი ორგანიზმის თვითრეგულირების პროცესებში.

კონცენტრაციის ჯაჭვები.

ცნობილია გალვანური უჯრედები, რომლებშიც ელექტრული ენერგია წარმოიქმნება არა ქიმიური რეაქციის გამო, არამედ იმ ხსნარების კონცენტრაციების განსხვავების გამო, რომლებშიც ჩაეფლო იგივე ლითონის ელექტროდები. ასეთ გალვანურ უჯრედებს ე.წ კონცენტრაცია(ნახ. 4.12). მაგალითად, შეგვიძლია დავასახელოთ წრე, რომელიც შედგება თუთიის ორი ელექტროდისგან, რომლებიც ჩაეფლო სხვადასხვა კონცენტრაციის ZnSO 4 ხსნარებში:

ამ სქემაში C 1 და C 2 არის ელექტროლიტების კონცენტრაციები და C 1 > C 2 ვინაიდან ორივე ელექტროდის ლითონი ერთნაირია, მათი სტანდარტული პოტენციალი (ε o Zn) ასევე იგივეა. თუმცა, ლითონის კათიონების კონცენტრაციის განსხვავებების გამო, წონასწორობა

ხსნარში ორივე ნახევარელემენტში არ არის იგივე. ნაკლებად კონცენტრირებული ხსნარით (C2) ნახევარუჯრედში წონასწორობა ოდნავ გადაადგილებულია მარჯვნივ, ე.ი.

ამ შემთხვევაში, თუთია აგზავნის მეტ კატიონს ხსნარში, რაც იწვევს ელექტროდზე ჭარბი ელექტრონების წარმოქმნას. ისინი გადადიან გარე წრედის გასწვრივ მეორე ელექტროდამდე, ჩაეფლო თუთიის სულფატის ZnSO 4 უფრო კონცენტრირებულ ხსნარში.

ამრიგად, უფრო მაღალი კონცენტრაციის ხსნარში ჩაძირული ელექტროდი დადებითად დაიმუხტება, ხოლო დაბალი კონცენტრაციის ხსნარში ჩაძირული ელექტროდი - უარყოფითად.

გალვანური უჯრედის მუშაობის დროს C 1-ის კონცენტრაცია თანდათან მცირდება, C 2-ის კონცენტრაცია იზრდება. ელემენტი მუშაობს მანამ, სანამ კონცენტრაციები ანოდსა და კათოდში არ იქნება თანაბარი.

ე.მ.ფ. ჩვენ განვიხილავთ კონცენტრაციის ელემენტებს თუთიის კონცენტრაციის ელემენტის მაგალითის გამოყენებით.

დავუშვათ, რომ C 1 = l mol/l და C 2 = 0,01 mol/l. Zn 2+-ის აქტივობის კოეფიციენტები ამ კონცენტრაციების ხსნარებში შესაბამისად ტოლია: f 1 = 0,061 და f 2 = 0,53. ემფ-ის გამოსათვლელად. ჯაჭვს ვიყენებთ განტოლებას (4.91). ნერნსტის განტოლების საფუძველზე შეგვიძლია დავწეროთ

Იმის გათვალისწინებით

განტოლებიდან (4.100) ირკვევა, რომ მოცემულ ხსნარში იონების კონცენტრაცია მარტივად შეიძლება გამოითვალოს წრედის შექმნით, რომლის ერთ-ერთი ელექტროდი ჩაეფლო შესასწავლ ხსნარში, მეორე კი ცნობილი აქტივობის ხსნარში. იგივე იონების. ამ მიზნით საჭიროა მხოლოდ ემფ-ის გაზომვა. აწყობილი წრე, რომელიც ადვილად შეიძლება გაკეთდეს შესაბამისი ინსტალაციით. კონცენტრაციის ჯაჭვები ფართოდ გამოიყენება პრაქტიკაში ხსნარების pH-ის, ნაკლებად ხსნადი ნაერთების ხსნადობის პროდუქტის დასადგენად, აგრეთვე იონების ვალენტობის და არასტაბილურობის მუდმივების დასადგენად კომპლექსურობის შემთხვევაში.

საცნობარო ელექტროდები.

როგორც უკვე აღვნიშნეთ, სხვადასხვა ელექტროდების პოტენციალი იზომება ნორმალური წყალბადის ელექტროდის პოტენციალის მიმართ. წყალბადთან ერთად ელექტროქიმიაში ამჟამად ფართოდ გამოიყენება კიდევ ერთი საცნობარო ელექტროდი – ე.წ.

წყალბადის ელექტროდი.კეთილშობილ ლითონებს, როგორიცაა ოქრო, პლატინა და სხვა, აქვთ ძლიერი ბროლის ბადე და მათი კათიონები არ შედიან ხსნარში ლითონისგან. შესაბამისად, ასეთ ლითონებს არ აქვთ დამახასიათებელი პოტენციური ნახტომი ლითონის ხსნარის ინტერფეისზე. თუმცა, თუ ნივთიერებები, რომლებსაც შეუძლიათ დაჟანგვის ან შემცირების უნარი, ადსორბირებულია ამ ლითონების ზედაპირზე, ეს ლითონები ადსორბირებული ნივთიერებებით უკვე წარმოადგენს სისტემებს, რომლებიც წონასწორობაში არიან ხსნართან. თუ კეთილშობილი ლითონის ზედაპირზე ადსორბირებული ნივთიერება არის აირი, ელექტროდს ეწოდება გაზის ელექტროდი.

ამრიგად, პლატინის ფირფიტა ან მავთული, რომელიც შთანთქავს მოლეკულურ წყალბადს და ჩაედინება წყალბადის იონების შემცველ ხსნარში, წარმოადგენს წყალბადის ელექტროდს. ვინაიდან პლატინი თავად არ მონაწილეობს ელექტროდის რეაქციაში (მისი როლი შემოიფარგლება იმით, რომ ის შთანთქავს წყალბადს და, როგორც გამტარი, შესაძლებელს ხდის ელექტრონების გადაადგილებას ერთი ელექტროდიდან მეორეზე), ქიმიური

პლატინის სიმბოლო წყალბადის ელექტროდის დიაგრამაში ჩვეულებრივ ჩასმულია ფრჩხილებში: (Pt)H 2 |2H+.

წყალბადის ელექტროდის ჭურჭლის სხვადასხვა დიზაინი არსებობს, რომელთაგან ორი ნაჩვენებია ნახ. 4.13.

წონასწორობა დამყარებულია წყალბადის ელექტროდის ზედაპირზე:

ამ პროცესების შედეგად პლატინისა და წყალბადის იონების ხსნარს შორის ელექტრული ორმაგი ფენა წარმოიქმნება საზღვარზე, რაც იწვევს პოტენციურ ნახტომს. მოცემულ ტემპერატურაზე ამ პოტენციალის სიდიდე დამოკიდებულია ხსნარში წყალბადის იონების აქტივობაზე და პლატინის მიერ შთანთქმული წყალბადის გაზის რაოდენობაზე, რაც მისი წნევის პროპორციულია:

4.102

სადაც H + არის წყალბადის იონების აქტივობა ხსნარში; P H2 არის წნევა, რომლის ქვეშაც წყალბადის აირი მიეწოდება ელექტროდის გაჯერებას. გამოცდილება გვიჩვენებს: რაც უფრო დიდია ზეწოლა პლატინის წყალბადით გაჯერებისთვის, მით მეტ უარყოფითს იღებს წყალბადის ელექტროდის პოტენციალი.

ელექტროდი, რომელიც შედგება პლატინისგან, რომელიც გაჯერებულია წყალბადით 101,325 კპა წნევის ქვეშ და ჩაეფლო წყალხსნარში წყალბადის იონის აქტივობით ერთი, ეწოდება ნორმალური წყალბადის ელექტროდი.

საერთაშორისო შეთანხმების თანახმად, ნორმალური წყალბადის ელექტროდის პოტენციალი ჩვეულებრივ ითვლება ნულამდე და ყველა სხვა ელექტროდის პოტენციალი შედარებულია ამ ელექტროდთან.

სინამდვილეში, pH 2, - 101,325 kPa, წყალბადის ელექტროდის პოტენციალის გამოხატულებას ექნება ფორმა

4.103

განტოლება (4.103) მოქმედებს განზავებული ხსნარებისთვის.

ამრიგად, როდესაც წყალბადის ელექტროდი გაჯერებულია წყალბადით 101,325 კპა წნევის ქვეშ, მისი პოტენციალი დამოკიდებულია მხოლოდ წყალბადის იონების კონცენტრაციაზე (აქტივობაზე) ხსნარში. ამასთან დაკავშირებით, წყალბადის ელექტროდი შეიძლება გამოყენებულ იქნას პრაქტიკაში არა მხოლოდ როგორც საცნობარო ელექტროდი, არამედ როგორც ინდიკატორი ელექტროდი, რომლის პოტენციალი პირდაპირ არის დამოკიდებული ხსნარში H + იონების არსებობაზე.

წყალბადის ელექტროდის მომზადება წარმოადგენს მნიშვნელოვან სირთულეებს. ადვილი არ არის იმის უზრუნველყოფა, რომ წყალბადის გაზის წნევა პლატინის გაჯერებისას არის ზუსტად 101,325 კპა. გარდა ამისა, აირისებრი წყალბადი უნდა მიეწოდოს გაჯერებისთვის მკაცრად მუდმივი სიჩქარით; უფრო მეტიც, სრულიად სუფთა წყალბადი უნდა იქნას გამოყენებული გაჯერებისთვის, რადგან ძალიან მცირე რაოდენობით მინარევები, განსაკუთრებით H 2 S და H 3 As, „წამლავს“ პლატინის ზედაპირს. და ამით ხელს უშლის წონასწორობის დამყარებას Н 2 ↔2Н + +2е - . სიწმინდის მაღალი ხარისხის წყალბადის წარმოება დაკავშირებულია აღჭურვილობისა და თავად სამუშაო პროცესის მნიშვნელოვან გართულებასთან. ამიტომ, პრაქტიკაში უფრო ხშირად გამოიყენება კალომელის უფრო მარტივი ელექტროდი, რომელსაც აქვს სტაბილური და შესანიშნავი რეპროდუქციული პოტენციალი.

კალომელის ელექტროდი.წყალბადის საცნობარო ელექტროდის პრაქტიკულ გამოყენებასთან დაკავშირებულმა უხერხულობამ გამოიწვია სხვა, უფრო მოსახერხებელი საცნობარო ელექტროდების შექმნის აუცილებლობა, რომელთაგან ერთ-ერთია კალომელის ელექტროდი.

კალომელის ელექტროდის მოსამზადებლად, ფრთხილად გაწმენდილი ვერცხლისწყალი შეედინება ჭურჭლის ძირში. ამ უკანასკნელს ზემოდან აფარებენ პასტით, რომელიც მიიღება კალომელის Hg 2 Cl 2 დაფქვით სუფთა ვერცხლისწყლის რამდენიმე წვეთით კალიუმის ქლორიდის KCl ხსნარის თანდასწრებით. პასტს ასხამენ კალომელით გაჯერებულ KCl ხსნარს. პასტში დამატებული მეტალური ვერცხლისწყალი ხელს უშლის კალომელის დაჟანგვას HgCl 2-მდე. პლატინის კონტაქტი ჩაეფლო ვერცხლისწყალში, საიდანაც სპილენძის მავთული უკვე გადის ტერმინალამდე. კალომელის ელექტროდი სქემატურად იწერება შემდეგნაირად: Hg|Hg 2 Cl 2, KC1. მძიმე Hg 2 Cl 2-სა და KCl-ს შორის ნიშნავს, რომ ამ ნივთიერებებს შორის ინტერფეისი არ არის, რადგან ისინი ერთსა და იმავე ხსნარში არიან.

მოდით შევხედოთ როგორ მუშაობს კალომელის ელექტროდი. კალომელი, იხსნება წყალში, იშლება Hg+ და Cl- იონების წარმოქმნით:

კალიუმის ქლორიდის თანდასწრებით, რომელიც შეიცავს კალომელის ამავე სახელწოდების ქლორის იონს, კალომელის ხსნადობა მცირდება. ამრიგად, KCl-ის მოცემულ კონცენტრაციაზე და მოცემულ ტემპერატურაზე Hg+ იონების კონცენტრაცია მუდმივია, რაც, ფაქტობრივად, უზრუნველყოფს კალომელის ელექტროდის პოტენციალის აუცილებელ სტაბილურობას.

პოტენციალი (ε k) კალომელის ელექტროდში წარმოიქმნება ლითონის ვერცხლისწყლის კონტაქტის ზედაპირზე მისი იონების ხსნართან და შეიძლება გამოიხატოს შემდეგი განტოლებით:

ვინაიდან მუდმივ ტემპერატურაზე PR არის მუდმივი მნიშვნელობა, ქლორის იონის კონცენტრაციის ზრდამ შეიძლება მნიშვნელოვანი გავლენა მოახდინოს ვერცხლისწყლის იონების კონცენტრაციაზე და, შესაბამისად, კალომელის ელექტროდის პოტენციალზე.

განტოლებიდან (4.105)

მუდმივი მნიშვნელობების გაერთიანებით მოცემულ ტემპერატურაზე ε 0 Н g და Ж lg (ПР) ერთ მნიშვნელობად და აღვნიშნავთ მას ε о к-ით, მივიღებთ კალომელის ელექტროდის პოტენციალის განტოლებას:

კალომელის ელექტროდის გამოყენებით შეგიძლიათ ექსპერიმენტულად განსაზღვროთ ნებისმიერი ელექტროდის პოტენციალი. ასე რომ, თუთიის ელექტროდის პოტენციალის დასადგენად, გალვანური წრე მზადდება თუთიისგან, რომელიც ჩაეფლო ZnSO 4 ხსნარში და კალომელის ელექტროდში.

დავუშვათ, რომ ექსპერიმენტულად განსაზღვრული ემფ. ეს წრე იძლევა მნიშვნელობას E = 1,0103 V. კალომელის ელექტროდის პოტენციალი ε = 0,2503 V. თუთიის ელექტროდის პოტენციალი E = ε -ε Zn-მდე, საიდანაც ε Zn = ε K -E, ან e Zn = 0,2503- 1,0103 = -0,76 ვ.

მოცემულ ელემენტში თუთიის ელექტროდის სპილენძის ჩანაცვლებით შეგიძლიათ განსაზღვროთ სპილენძის პოტენციალი და ა.შ. ამ გზით შეგიძლიათ განსაზღვროთ თითქმის ყველა ელექტროდის პოტენციალი.

ვერცხლის ქლორიდის ელექტროდი.კალომელის ელექტროდის გარდა, ვერცხლის-ვერცხლის ქლორიდის ელექტროდი ასევე ფართოდ გამოიყენება ლაბორატორიულ პრაქტიკაში, როგორც საცნობარო ელექტროდი. ეს ელექტროდი არის ვერცხლის მავთული ან ფირფიტა, რომელიც შედუღებულია სპილენძის მავთულზე და დალუქულია მინის მილში. ვერცხლი ელექტროლიტურად დაფარულია ვერცხლის ქლორიდის ფენით და მოთავსებულია KCl ან HCl ხსნარში.

ვერცხლის ქლორიდის ელექტროდის პოტენციალი, ისევე როგორც კალომელის ელექტროდი, დამოკიდებულია ხსნარში ქლორის იონების კონცენტრაციაზე (აქტივობაზე) და გამოიხატება განტოლებით.

4.109

სადაც ε xc არის ვერცხლის ქლორიდის ელექტროდის პოტენციალი; e o xc არის ვერცხლის ქლორიდის ელექტროდის ნორმალური პოტენციალი. სქემატურად, ვერცხლის ქლორიდის ელექტროდი იწერება შემდეგნაირად:

ამ ელექტროდის პოტენციალი წარმოიქმნება ვერცხლის და ვერცხლის ქლორიდის ხსნარს შორის.

ამ შემთხვევაში ხდება შემდეგი ელექტროდის რეაქცია:

AgCl-ის უკიდურესად დაბალი ხსნადობის გამო, ვერცხლის ქლორიდის ელექტროდის პოტენციალს აქვს დადებითი ნიშანი ნორმალურ წყალბადის ელექტროდთან შედარებით.

1 ნ. KCl ხსნარში, ვერცხლის ქლორიდის ელექტროდის პოტენციალი წყალბადის მასშტაბით 298 K-ზე არის 0,2381 V, ხოლო 0,1 N-ზე. ხსნარი ε x c = 0,2900 V და ა.შ. კალომელის ელექტროდთან შედარებით, ვერცხლის-ვერცხლის ქლორიდის ელექტროდს აქვს საგრძნობლად დაბალი ტემპერატურული კოეფიციენტი, ანუ მისი პოტენციალი ნაკლებად იცვლება ტემპერატურასთან ერთად.

ინდიკატორი ელექტროდები.

ელექტრომეტრული მეთოდით ხსნარში სხვადასხვა იონების კონცენტრაციის (აქტივობის) დასადგენად, პრაქტიკაში გამოიყენება გალვანური უჯრედები, რომლებიც შედგება ორი ელექტროდისგან - საცნობარო ელექტროდი სტაბილური და კარგად ცნობილი პოტენციალით და ინდიკატორი ელექტროდი, პოტენციალი. რაც დამოკიდებულია ხსნარში განსაზღვრული იონის კონცენტრაციაზე (აქტივობაზე). კალომელის და ვერცხლის ქლორიდის ელექტროდები ყველაზე ხშირად გამოიყენება საცნობარო ელექტროდებად. მისი მოცულობის გამო, წყალბადის ელექტროდი გამოიყენება ამ მიზნით გაცილებით იშვიათად. უფრო ხშირად, ეს ელექტროდი გამოიყენება როგორც ინდიკატორი ელექტროდი წყალბადის იონების (pH) აქტივობის განსაზღვრისას შესასწავლ ხსნარებში.

მოდით ვისაუბროთ ინდიკატორი ელექტროდების მახასიათებლებზე, რომლებიც ბოლო წლებში ყველაზე ფართოდ გამოიყენება ეროვნული ეკონომიკის სხვადასხვა სფეროში.

ქინჰიდრონის ელექტროდი.პრაქტიკაში ფართოდ გამოყენებული ერთ-ერთი ელექტროდი, რომლის პოტენციალი დამოკიდებულია წყალბადის იონების აქტივობაზე ხსნარში, არის ეგრეთ წოდებული ქინჰიდრონის ელექტროდი (ნახ. 4.16). ეს ელექტროდი ძალიან დადებითად განსხვავდება წყალბადის ელექტროდისგან თავისი სიმარტივითა და გამოყენების სიმარტივით. იგი შედგება პლატინის მავთულისგან 1, ჩაშვებული ჭურჭელში სატესტო ხსნარით 2, რომელშიც წინასწარ იხსნება ქინჰიდრონის ფხვნილის 3 ჭარბი რაოდენობა. ქინჰიდრონი არის ორი ორგანული ნაერთის ეკვმოლეკულური ნაერთი - ქინონი C 6 H 4 O 2 და ჰიდროქინონი C b H 4 (OH) 2, კრისტალდება პატარა მუქი მწვანე ნემსების სახით მეტალის ბზინვარებით. ქინონი არის დიკეტონი, ხოლო ჰიდროქინონი არის დიჰიდრული ალკოჰოლი.

ქინჰიდრონი შეიცავს ერთ ქინონის მოლეკულას და ერთ ჰიდროქინონის მოლეკულას C 6 H 4 O 2 · C 6 H 4 (OH) 2. ქინჰიდრონის ელექტროდის მომზადებისას ქინჰიდრონს ყოველთვის იღებენ იმ რაოდენობით, რაც გარანტიას იძლევა, რომ ხსნარი გაჯერებულია მისით, ანუ ის ნაწილობრივ გაუხსნელი უნდა დარჩეს ნალექში. უნდა აღინიშნოს, რომ გაჯერებული ხსნარი მიიღება ძალიან მცირე მწიკვი ქინჰიდრონის დამატებით, რადგან წყალში მისი ხსნადობა მხოლოდ დაახლოებით 0,005 მოლია 1 ლიტრ წყალზე.

განვიხილოთ ქინჰიდრონის ელექტროდის თეორია. წყალში გახსნისას ხდება შემდეგი პროცესები: ქინჰიდრონი იშლება ქინონად და ჰიდროქინონად:

ჰიდროქინონი, როგორც სუსტი მჟავა, განტოლების მიხედვით მცირე რაოდენობით იშლება იონებად

თავის მხრივ, მიღებული ქინონის იონი შეიძლება დაჟანგდეს ქინონად, იმ პირობით, რომ ელექტრონები მოიხსნება:

კათოდზე მიმდინარე მთლიანი რეაქცია არის

ამ რეაქციის წონასწორობის მუდმივია

4.109

გამომდინარე იქიდან, რომ ქინჰიდრონით გაჯერებულ ხსნარში ქინონის და ჰიდროქინონის კონცენტრაციები თანაბარია, წყალბადის იონის კონცენტრაცია მუდმივია.

ქინჰიდრონის ელექტროდი შეიძლება ჩაითვალოს წყალბადის ელექტროდად წყალბადის ძალიან დაბალი წნევის დროს (დაახლოებით 10 -25 მპა). ვარაუდობენ, რომ ამ შემთხვევაში რეაქცია ხდება ელექტროდის მახლობლად

მიღებული წყალბადის გაზი აჯერებს პლატინის მავთულს ან ფირფიტას, რომელიც ჩაძირულია ხსნარში ამ წნევის ქვეშ. (დ) რეაქციის მიხედვით წარმოქმნილი ელექტრონები გადადის პლატინაში, რის შედეგადაც წარმოიქმნება პოტენციური სხვაობა პლატინასა და მიმდებარე ხსნარს შორის. ამრიგად, ამ სისტემის პოტენციალი დამოკიდებულია დაჟანგული და შემცირებული ფორმების კონცენტრაციების თანაფარდობაზე და წყალბადის იონების კონცენტრაციაზე ხსნარში. ამის გათვალისწინებით, ქინჰიდრონის ელექტროდის ელექტროდის პოტენციალის განტოლებას აქვს ფორმა

ფორმულიდან (4.111) ცხადია, რომ ქინჰიდრონის ელექტროდის პოტენციალი პირდაპირ არის დამოკიდებული ხსნარში წყალბადის იონების კონცენტრაციაზე (უფრო ზუსტად, აქტივობაზე). პრაქტიკული გაზომვების შედეგად დადგინდა, რომ ქინჰიდრონის ელექტროდის ნორმალური პოტენციალი (a n + = 1) უდრის 0,7044 ვ-ს 291 კ-ზე. ამიტომ მათი რიცხვითი მნიშვნელობები ე 0-ის ნაცვლად განტოლებით (4.111) ჩაანაცვლეთ. xg და F, ვიღებთ საბოლოო პოტენციალის განტოლებას ქინჰიდრონის ელექტროდი:

შუშის ელექტროდი.ეს ელექტროდი ამჟამად ყველაზე ფართოდ გამოიყენება. შუშის ელექტროდის დასამზადებლად გამოიყენება გარკვეული ქიმიური შემადგენლობის მინა. მინის ელექტროდის ერთ-ერთი ყველაზე ხშირად გამოყენებული ფორმა არის მინის მილი, რომელიც მთავრდება თხელკედლიანი ბურთით. ბურთი ივსება HCl ხსნარით H + იონების გარკვეული კონცენტრაციით, რომელშიც ჩაეფლო დამხმარე ელექტროდი (მაგალითად, ვერცხლის ქლორიდი). ზოგჯერ შუშის ელექტროდები მზადდება შუშის თხელკედლიანი მემბრანის სახით წყალბადის ფუნქციით. მემბრანა შედუღებულია მინის მილის ბოლომდე (სურ. 4.17). მინის ელექტროდი განსხვავდება უკვე განხილული ელექტროდებისგან იმით, რომ ელექტრონები არ მონაწილეობენ შესაბამის ელექტროდურ რეაქციაში. შუშის მემბრანის გარე ზედაპირი ემსახურება წყალბადის იონების წყაროს და წყალბადის ელექტროდის მსგავსად ცვლის მათ ხსნართან. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ელექტროდის რეაქცია აქ მოდის წყალბადის იონების გაცვლაზე ორ ფაზას - ხსნარსა და მინას შორის: H + = H + st. ვინაიდან წყალბადის იონის მუხტი შეესაბამება ელექტროენერგიის ელემენტარულ დადებით რაოდენობას და წყალბადის იონის გადასვლა ერთი ფაზიდან მეორეზე უდრის ერთეული მუხტის მოძრაობას (n = 1), მინის ელექტროდის პოტენციალი (ε st) შეიძლება გამოისახოს შემდეგი განტოლებით:

4.113

სადაც ε 0 st არის მინის ელექტროდის სტანდარტული პოტენციალი.

როგორც კვლევებმა აჩვენა, წყალბადის იონების გარდა, გაცვლის რეაქციაში ასევე შედის ტუტე ლითონის იონები, რომლებიც შედიან მინაში. ამ შემთხვევაში, ისინი ნაწილობრივ იცვლება წყალბადის იონებით და თავად გადადიან ხსნარში. იონური გაცვლის პროცესის წონასწორობა დამყარებულია შუშის ზედაპირულ ფენასა და ხსნარს შორის:

სადაც M +, შუშის ტიპის მიხედვით, შეიძლება იყოს ლითიუმის, ნატრიუმის ან სხვა ტუტე ლითონის იონები.

ამ რეაქციის წონასწორობის პირობა გამოიხატება მასის მოქმედების კანონით:

გაცვლის მუდმივი განტოლება შეიძლება გადაიწეროს შემდეგნაირად:

ჩანაცვლება ა n+ / ა nst+ შუშის ელექტროდის პოტენციალის განტოლებაში (4.113) მისი მნიშვნელობით განტოლებიდან (4.117) მივყავართ შემდეგ გამოხატვას:

ანუ ელექტროდს აქვს წყალბადის ფუნქცია და ამიტომ შეიძლება იყოს ინდიკატორი ელექტროდი pH-ის განსაზღვრისას.

თუ ხსნარშია ა n+<<К обм ა m +, მაშინ

ლითონის ფუნქციის მქონე მინის ელექტროდი შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ინდიკატორი ელექტროდი შესაბამისი ტუტე ლითონის იონების აქტივობის დასადგენად.

ამრიგად, შუშის ტიპის მიხედვით (უფრო ზუსტად, გაცვლის მუდმივი ზომის მიხედვით), მინის ელექტროდს შეიძლება ჰქონდეს წყალბადის და ლითონის ფუნქცია.

მინის ელექტროდის შესახებ წარმოდგენილი იდეები საფუძვლად უდევს შუშის ელექტროდის თერმოდინამიკურ თეორიას, რომელიც შემუშავებულია B.P. Nikolsky (1937) მიერ და ეფუძნება იდეას მინასა და ხსნარს შორის იონების გაცვლის არსებობის შესახებ.

სქემატურად, წყალბადის ფუნქციის მქონე მინის ელექტროდი შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად:

შიდა ელექტროდად გამოიყენება ვერცხლის ქლორიდის ელექტროდი.

გამომდინარე იქიდან, რომ შუშის ელექტროდის განტოლებაში (4.121) F-ს მნიშვნელობა პრაქტიკაში აღმოჩნდება თეორიულზე ოდნავ ნაკლები და ε 0 st დამოკიდებულია მინის ტიპზე და ელექტროდის მომზადების მეთოდზეც კი (ანუ ის. არის არასტაბილური მნიშვნელობა), მინის ელექტროდი (ისევე, როგორც ანტიმონი) სატესტო ხსნარის pH-ის დადგენამდე, იგი წინასწარ კალიბრირებულია სტანდარტული ბუფერული ხსნარების გამოყენებით, რომლის pH ზუსტად არის ცნობილი.

შუშის ელექტროდის უპირატესობა წყალბადისა და ქინჰიდრონის ელექტროდებთან შედარებით არის ის, რომ ის საშუალებას გაძლევთ განსაზღვროთ ნებისმიერი ქიმიური ნაერთის ხსნარის pH მნიშვნელობების საკმაოდ ფართო დიაპაზონში.