プリンキピア

第17章電気化学

Key Concepts and Summary重要概念とまとめ

The property of potential, E, is the energy associated with the separation/transfer of charge. In electrochemistry, the potentials of cells and half-cells are thermodynamic quantities that reflect the driving force or the spontaneity of their redox processes. The cell potential of an electrochemical cell is the difference in between its cathode and anode. To permit easy sharing of half-cell potential data, the standard hydrogen electrode (SHE) is assigned a potential of exactly 0 V and used to define a single electrode potential for any given half-cell. The electrode potential of a half-cell, EX, is the cell potential of said half-cell acting as a cathode when connected to a SHE acting as an anode. When the half-cell is operating under standard state conditions, its potential is the standard electrode potential, E°X. Standard electrode potentials reflect the relative oxidizing strength of the half-reaction’s reactant, with stronger oxidants exhibiting larger (more positive) E°X values. Tabulations of standard electrode potentials may be used to compute standard cell potentials, E°cell, for many redox reactions. The arithmetic sign of a cell potential indicates the spontaneity of the cell reaction, with positive values for spontaneous reactions and negative values for nonspontaneous reactions (spontaneous in the reverse direction).
電位Eという性質は、電荷の分離または移動に伴うエネルギーである。電気化学では、電池と半電池の電位は、それらの酸化還元過程の駆動力、または自発性を反映する熱力学量である。電気化学セルの電池電位は、カソードとアノードの間の差である。半電池の電位データを容易に共有できるよう、標準水素電極(SHE)の電位を厳密に0 Vとし、任意の半電池について一つの電極電位を定義するために用いる。半電池の電極電位EXは、その半電池をカソードとして、アノードとして働くSHEに接続したときの電池電位である。半電池が標準状態の条件で働いているとき、その電位は標準電極電位E°Xである。標準電極電位は、半反応の反応物の相対的な酸化力を反映し、強い酸化剤ほど大きい(より正の)E°Xの値を示す。標準電極電位の表を使うと、多くの酸化還元反応の標準電池電位E°cellを計算できる。電池電位の符号は電池反応の自発性を示し、自発的な反応では正、非自発的な反応(逆方向には自発的)では負となる。

Key Equations重要な式

Ecell°=Ecathode°−Eanode°

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 21–26練習問題 21–26
Exercise 21問題 21
Calculate the standard cell potential for each reaction below, and note whether the reaction is spontaneous under standard state conditions.
以下の各反応の標準電池電位を計算し、その反応が標準状態の条件で自発的かどうかを記しなさい。
(a) Mg(s)+Ni2+(aq)⟶Mg2+(aq)+Ni(s)
(a) Mg(s)+Ni2+(aq)⟶Mg2+(aq)+Ni(s)
(b) 2Ag+(aq)+Cu(s)⟶Cu2+(aq)+2Ag(s)
(b) 2Ag+(aq)+Cu(s)⟶Cu2+(aq)+2Ag(s)
(c) Mn(s)+Sn(NO3)2(aq)⟶Mn(NO3)2(aq)+Sn(s)
(c) Mn(s)+Sn(NO3)2(aq)⟶Mn(NO3)2(aq)+Sn(s)
(d) 3Fe(NO3)2(aq)+Au(NO3)3(aq)⟶3Fe(NO3)3(aq)+Au(s)
(d) 3Fe(NO3)2(aq)+Au(NO3)3(aq)⟶3Fe(NO3)3(aq)+Au(s)
Solution解き方
(a) +2.115 V (spontaneous); (b) +0.4626 V (spontaneous); (c) +1.048 V (spontaneous); (d) +0.727 V (spontaneous)
(a) +2.115 V(自発的)。(b) +0.4626 V(自発的)。(c) +1.048 V(自発的)。(d) +0.727 V(自発的)。
Exercise 22問題 22
Calculate the standard cell potential for each reaction below, and note whether the reaction is spontaneous under standard state conditions.
以下の各反応の標準電池電位を計算し、その反応が標準状態の条件で自発的かどうかを記しなさい。
(a) Mn(s)+Ni2+(aq)⟶Mn2+(aq)+Ni(s)
(a) Mn(s)+Ni2+(aq)⟶Mn2+(aq)+Ni(s)
(b) 3Cu2+(aq)+2Al(s)⟶2Al3+(aq)+3Cu(s)
(b) 3Cu2+(aq)+2Al(s)⟶2Al3+(aq)+3Cu(s)
(c) Na(s)+LiNO3(aq)⟶NaNO3(aq)+Li(s)
(c) Na(s)+LiNO3(aq)⟶NaNO3(aq)+Li(s)
(d) Ca(NO3)2(aq)+Ba(s)⟶Ba(NO3)2(aq)+Ca(s)
(d) Ca(NO3)2(aq)+Ba(s)⟶Ba(NO3)2(aq)+Ca(s)
Exercise 23問題 23
Write the balanced cell reaction for the cell schematic below, calculate the standard cell potential, and note whether the reaction is spontaneous under standard state conditions.
以下の電池の模式表記について、係数を合わせた電池反応式を書き、標準電池電位を計算し、標準状態の条件で反応が自発的かどうかを記しなさい。
Cu(s)│Cu2+(aq)║Au3+(aq)│Au(s)
Cu(s)│Cu2+(aq)║Au3+(aq)│Au(s)
Solution解き方
3Cu(s)+2Au3+(aq)⟶3Cu2+(aq)+2Au(s); +1.16 V; spontaneous
3Cu(s)+2Au3+(aq)⟶3Cu2+(aq)+2Au(s); +1.16 V。自発的。
Exercise 24問題 24
Determine the cell reaction and standard cell potential at 25 °C for a cell made from a cathode half-cell consisting of a silver electrode in 1 M silver nitrate solution and an anode half-cell consisting of a zinc electrode in 1 M zinc nitrate. Is the reaction spontaneous at standard conditions?
1 M硝酸銀溶液中の銀電極から成るカソード側の半電池と、1 M硝酸亜鉛中の亜鉛電極から成るアノード側の半電池で作った電池について、25 °Cでの電池反応と標準電池電位を求めなさい。この反応は標準条件で自発的か。
Exercise 25問題 25
Determine the cell reaction and standard cell potential at 25 °C for a cell made from an anode half-cell containing a cadmium electrode in 1 M cadmium nitrate and a cathode half-cell consisting of an aluminum electrode in 1 M aluminum nitrate solution. Is the reaction spontaneous at standard conditions?
1 M硝酸カドミウム中のカドミウム電極を含むアノード側の半電池と、1 M硝酸アルミニウム溶液中のアルミニウム電極から成るカソード側の半電池で作った電池について、25 °Cでの電池反応と標準電池電位を求めなさい。この反応は標準条件で自発的か。
Solution解き方
3Cd(s)+2Al3+(aq)⟶3Cd2+(aq)+2Al(s); −1.259 V; nonspontaneous
3Cd(s)+2Al3+(aq)⟶3Cd2+(aq)+2Al(s); −1.259 V。非自発的。
Exercise 26問題 26
Write the balanced cell reaction for the cell schematic below, calculate the standard cell potential, and note whether the reaction is spontaneous under standard state conditions.
Pt(s)│H2(g)│H+(aq)║Br2(aq),Br−(aq)│Pt(s)
以下の電池の模式表記について、係数を合わせた電池反応式を書き、標準電池電位を計算し、標準状態の条件で反応が自発的かどうかを記しなさい。Pt(s)│H2(g)│H+(aq)║Br2(aq),Br−(aq)│Pt(s)
standard cell potential (Ecell°)
標準電池電位(Ecell°)
the cell potential when all reactants and products are in their standard states (1 bar or 1 atm or gases; 1 M for solutes), usually at 298.15 K
すべての反応物と生成物が標準状態(気体は1 barまたは1 atm、溶質は1 M)にあるときの電池電位。通常は298.15 Kでの値。
standard hydrogen electrode (SHE)
標準水素電極(SHE)
half-cell based on hydrogen ion production, assigned a potential of exactly 0 V under standard state conditions, used as the universal reference for measuring electrode potential
水素イオンの生成に基づく半電池。標準状態の条件で厳密に0 Vの電位が割り当てられ、電極電位を測定するための共通基準として用いられる。
standard electrode potential ((EX°))
標準電極電位((EX°))
electrode potential measured under standard conditions (1 bar or 1 atm for gases; 1 M for solutes) usually at 298.15 K
標準条件(気体は1 barまたは1 atm、溶質は1 M)で測定した電極電位。通常は298.15 Kでの値。