第17章電気化学
Interpreting Electrode and Cell Potentials電極電位と電池電位を解釈する
Thinking carefully about the definitions of cell and electrode potentials and the observations of spontaneous redox change presented thus far, a significant relation is noted. The previous section described the spontaneous oxidation of copper by aqueous silver(I) ions, but no observed reaction with aqueous lead(II) ions. Results of the calculations in Example 17.4 have just shown the spontaneous process is described by a positive cell potential while the nonspontaneous process exhibits a negative cell potential. And so, with regard to the relative effectiveness (“strength”) with which aqueous Ag+ and Pb2+ ions oxidize Cu under standard conditions, the stronger oxidant is the one exhibiting the greater standard electrode potential, E°. Since by convention electrode potentials are for reduction processes, an increased value of E° corresponds to an increased driving force behind the reduction of the species (hence increased effectiveness of its action as an oxidizing agent on some other species). Negative values for electrode potentials are simply a consequence of assigning a value of 0 V to the SHE, indicating the reactant of the half-reaction is a weaker oxidant than aqueous hydrogen ions.
英語のヒント
電池電位と電極電位の定義、およびこれまでに示した自発的な酸化還元変化の観察を注意深く考えると、重要な関係が見えてくる。前節では、水溶液中の銀(I)イオンによる銅の自発的な酸化を説明したが、水溶液中の鉛(II)イオンとの反応は観察されなかった。例題17.4の計算結果は、自発的な過程が正の電池電位で表される一方、非自発的な過程は負の電池電位を示すことを明らかにした。したがって、水溶液中のAg+イオンとPb2+イオンが標準条件でCuを酸化する相対的な有効性(「強さ」)については、より大きな標準電極電位E°を示すものが、より強い酸化剤である。慣例により電極電位は還元過程についての値なので、E°の増加は、その化学種の還元の駆動力の増加に対応する(したがって、他の化学種に対する酸化剤としての作用の有効性が増す)。電極電位が負の値になるのは、SHEに0 Vの値を割り当てたことの帰結にすぎず、その半反応の反応物が、水溶液中の水素イオンより弱い酸化剤であることを示している。
Applying this logic to the numerically ordered listing of standard electrode potentials in Table 17.1 shows this listing to be likewise in order of the oxidizing strength of the half-reaction’s reactant species, decreasing from strongest oxidant (most positive E°) to weakest oxidant (most negative E°). Predictions regarding the spontaneity of redox reactions under standard state conditions can then be easily made by simply comparing the relative positions of their table entries. By definition, E°cell is positive when E°cathode > E°anode, and so any redox reaction in which the oxidant’s entry is above the reductant’s entry is predicted to be spontaneous.
英語のヒント
この論理を、表17.1の数値順に並べた標準電極電位の一覧に当てはめると、この一覧は、半反応の反応物の化学種の酸化力の順にもなっていることが分かる。最も強い酸化剤(最も正のE°)から最も弱い酸化剤(最も負のE°)へと弱くなっていく。したがって、標準状態の条件での酸化還元反応の自発性は、表中の項目の相対的な位置を比べるだけで容易に予測できる。定義により、E°cathode > E°anodeのときE°cellは正であるので、酸化剤の項目が還元剤の項目より上にある酸化還元反応は、いずれも自発的と予測される。
Reconsideration of the two redox reactions in Example 17.4 provides support for this fact. The entry for the silver(I)/silver(0) half-reaction is above that for the copper(II)/copper(0) half-reaction, and so the oxidation of Cu by Ag+ is predicted to be spontaneous (E°cathode > E°anode and so E°cell > 0). Conversely, the entry for the lead(II)/lead(0) half-cell is beneath that for copper(II)/copper(0), and the oxidation of Cu by Pb2+ is nonspontaneous (E°cathode < E°anode and so E°cell < 0).
英語のヒント
例題17.4の二つの酸化還元反応をもう一度考えると、この事実が裏付けられる。銀(I)/銀(0)半反応の項目は銅(II)/銅(0)半反応の項目より上にあるので、Ag+によるCuの酸化は自発的と予測される(E°cathode > E°anode、したがってE°cell > 0)。逆に、鉛(II)/鉛(0)半電池の項目は銅(II)/銅(0)の項目より下にあるので、Pb2+によるCuの酸化は非自発的である(E°cathode < E°anode、したがってE°cell < 0)。
Recalling the chapter on thermodynamics, the spontaneities of the forward and reverse reactions of a reversible process show a reciprocal relationship: if a process is spontaneous in one direction, it is non-spontaneous in the opposite direction. As an indicator of spontaneity for redox reactions, the potential of a cell reaction shows a consequential relationship in its arithmetic sign. The spontaneous oxidation of copper by lead(II) ions is not observed,
英語のヒント
熱力学の章を思い出すと、可逆過程の正反応と逆反応の自発性には、相反する関係がある。一方の方向に自発的な過程は、反対方向には非自発的である。酸化還元反応の自発性の指標として、電池反応の電位の符号にも、それに伴う関係が現れる。鉛(II)イオンによる銅の自発的な酸化は観察されない。
and so the reverse reaction, the oxidation of lead by copper(II) ions, is predicted to occur spontaneously:
したがって、その逆反応である銅(II)イオンによる鉛の酸化は、自発的に起こると予測される。
Note that reversing the direction of a redox reaction effectively interchanges the identities of the cathode and anode half-reactions, and so the cell potential is calculated from electrode potentials in the reverse subtraction order than that for the forward reaction. In practice, a voltmeter would report a potential of −0.47 V with its red and black inputs connected to the Pb and Cu electrodes, respectively. If the inputs were swapped, the reported voltage would be +0.47 V.
英語のヒント
酸化還元反応の方向を逆にすると、実質的にカソードとアノードの半反応の役割が入れ替わるため、電池電位は、正反応の場合とは逆の引き算の順序で、電極電位から計算されることに注意しよう。実際には、電圧計の赤と黒の入力端子をそれぞれPb電極とCu電極に接続すると、−0.47 Vの電位が表示される。入力端子を入れ替えると、表示電圧は+0.47 Vになる。
Example 17.5例題 17.5
Predicting Redox Spontaneity酸化還元反応の自発性を予測する
Are aqueous iron(II) ions predicted to spontaneously oxidize elemental chromium under standard state conditions? Assume the half-reactions to be those available in Table 17.1.
標準状態の条件で、水溶液中の鉄(II)イオンは単体のクロムを自発的に酸化すると予測されるか。半反応は表17.1に示されているものとする。
Solution解き方
Referring to the tabulated half-reactions, the redox reaction in question can be represented by the equations below:
表に示された半反応を参照すると、問題の酸化還元反応は以下の式で表せる。
The entry for the putative oxidant, Fe2+, appears above the entry for the reductant, Cr, and so a spontaneous reaction is predicted per the quick approach described above. Supporting this predication by calculating the standard cell potential for this reaction gives
英語のヒント
酸化剤と考えられるFe2+の項目は、還元剤Crの項目より上にある。したがって、上で説明した簡便な方法に従うと、自発的な反応が予測される。この反応の標準電池電位を計算してこの予測を裏付けると、次のようになる。
The positive value for the standard cell potential indicates the process is spontaneous under standard state conditions.
標準電池電位が正であることは、この過程が標準状態の条件で自発的であることを示す。
Check Your Learning理解度の確認
Use the data in Table 17.1 to predict the spontaneity of the oxidation of bromide ion by molecular iodine under standard state conditions, supporting the prediction by calculating the standard cell potential for the reaction. Repeat for the oxidation of iodide ion by molecular bromine.
表17.1のデータを使い、標準状態の条件でヨウ素分子が臭化物イオンを酸化する反応の自発性を予測し、この反応の標準電池電位を計算して予測を裏付けなさい。臭素分子がヨウ化物イオンを酸化する場合についても繰り返しなさい。