化學原理啟迪278

濃度電池 Concentration Cells (一)

1.          因為電池的電位差取決於反應物質的濃度，所以我們只要讓二個電極裝置含有不同濃度的物質，就能製造一個電池。

2.          舉例來說，下圖的電池二端電極裝著液態的AgNO3，但是莫耳濃度不同；讓我們來討論這個電池的電位差與電子流動的方向。

3.          這個電池的2個電極裝置的半反應是

Ag^＋＋e^－→Ag   E°＝0.80V

4.          如果二端電極都含有1M Ag^＋

E°cell＝0.80V－0.80V＝0V

5.          不過我們設定的電池，二端電極的Ag^＋濃度分別是1M和0.1M，因為二端Ag^＋濃度不一樣，所以實際運作時，電池的半反應電位差也不一樣，因此這個電池將有一個正的電位差伏特。

6.          這個電池的電流方向是什麼？思考這個問題最好的方法是認清自然界會努力平衡二端電極裝置的Ag^＋濃度。

7.          我們將使用能斯特方程式，計算這個電池在25℃時的電位差

E＝E°－(0.0591/n)log(Q)

8.          因為電池每完成一次反應就轉移1個電子，因此n＝1，電池二端裝置的半反應分別是：Ag^＋＋e^－→Ag與Ag→Ag^＋＋e^－。這個電池的標準電位差是多少？

9.          電池的標準電位差E°代表電池反應進行的條件符合標準狀態，我們所設定的電池大部分的條件都符合標準狀態，只有一項不符合，其中一端電極的[Ag^＋]不是1M。不過，如果電池二端的電極Ag⁺濃度都是1M，電位差就是0，也就是標準電位差E°＝0。

10.      接著，我們要找到反應商數Q的值，再複習一次，反應商數Q是產物與反應物濃度的比例。

11.      這個電池的反應程序是

Ag^＋(1M)→Ag^＋(0.1M)

從以上反應的濃度可以找出反應商數Q。

注：Ag^＋(1M)→Ag^＋(0.1M)的方程式怎麼來？說明如下

12.      利用能斯特方程式，計算電池的電位差

E＝E°－(0.0591/n)log(Q)

＝0－(0.0591/1)log(0.10/1.0)

＝－0.0591/1(－1.00)

＝0.0591V

這個電池的電位差是0.0591V

13.      一個電池，如果它的2個電極裝置組成物質都一樣，但是濃度不同，稱為濃度電池。這種電池製造電位差的唯一因素是參與反應的物質的濃度不一樣。一般而言，這種電池的電位差較小。

14.      【例題】判斷電池的電子流動方向，指出陰極與陽極的位置，計算這個電池在25℃下的電位差。
 

15.      【解題】如果左邊電極裝置的電子能流向右邊電極裝置，那麼，二個電極裝置的鐵離子Fe²⁺最後就會平衡，這將會造成左邊電極產生的Fe²⁺，右邊電極產生鐵金屬的固體沈澱物，並因此減少溶液內的鐵離子Fe²⁺含量。。

16.      所以電流是從左邊流向右邊，左邊電極進行氧化反應（陽極），右邊電極進行還原反應（陰極）。

17.      我們將使用以下這個能斯特方程式，計算這個電池在25℃時的電位差

E＝E°－(0.0591/n)log(Q)

18.      電池每完成一次反應，就會轉移2個電子（二個半反應Fe^2＋＋2e^－→Fe與Fe→Fe^2＋＋2e^－），因此n＝2，此外濃度電池的標準電位差E°＝0，反應商數Q＝0.01/0.10。

19.      因為一定是Fe^2＋濃度比較低的位置才會不斷形成Fe^2＋，所以一定是在0.01M Fe^2＋的電極端形成，而形成Fe^2＋離子的位置是陽極，是反應物，所以，0.1M Fe^2＋在陰極、產物的位置

20.      利用能斯特方程式，計算電池的電位差

E＝E°－(0.0591/2)log(0.01/0.10)

＝－0.0296(－1.00)

＝0.0296V

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