EMF je zkratka pro „elektromotorickou sílu“. Tento termín se používá k popisu rozdílu potenciálů mezi dvěma elektrodami ve galvanickém článku. Jednoduše řečeno, je to hnací síla chemických reakcí, které produkují elektřinu. EMF galvanických článků se měří ve voltech a lze jej použít k určení termodynamické proveditelnosti reakce nebo standardního potenciálu galvanického článku. EMF se používá v elektrochemii k popisu chování mnoha látek.
Co je EMF v chemii
Elektrochemické články jsou systémy, ve kterých probíhá oxidačně-redukční reakce, která usnadňuje výrobu elektřiny, jež může být použita k napájení zařízení nebo k provádění práce. Takové články nebo prvky se skládají ze dvou elektrod. Jedna z nich přijímá elektrony (katoda) a druhá (anoda) je emituje.
Elektromotorické pole (EMP) je způsobeno pohybem záporně nabitých částic. Mohou se pohybovat mezi atomy, což vede k tvorbě nebo přerušení chemických vazeb. V galvanických materiálech se elektrony pohybují mezi elektrodami. Tento proces generuje elektřinu. Elektromotorické pole neboli elektromotorická síla galvanického článku je určena rozdílem redukčních potenciálů mezi oběma elektrodami. Tento rozdíl souvisí se standardní změnou Gibbsovy volné energie celkové reakce v článku.
Na čem závisí elektromotorické napětí galvanického článku?
Hlavním faktorem je rozdíl redukčních potenciálů dvou elektrod zapojených do činnosti galvanického článku. Redukční potenciál je měřítkem tendence chemické látky obnovovat nebo získávat elektrony. Čím větší je rozdíl redukčních potenciálů mezi dvěma elektrodami, tím větší je elektromotorická síla článku. Tento rozdíl je také známý jako napětí článku.
Dalším faktorem ovlivňujícím elektromotorické napětí (EMF) jakéhokoli galvanického článku je koncentrace iontů v látkách zapojených do oxidačně-redukční interakce. Změna koncentrace činidel s sebou nese změnu elektromotorické síly.
Teplota je dalším důležitým faktorem. Elektromotorická síla souvisí se změnou Gibbsovy volné energie celkové reakce prvku, která závisí na teplotě. Pokud se galvanický prvek zahřeje, může se elektromotorické napětí snížit v důsledku změny entalpie a entropie systému. Proto je důležité při výpočtu elektromotorického napětí zohlednit teplotu.
Jak se určuje EMF?
V galvanické látce hrají elektrody hlavní roli při výrobě elektřiny. Během chemické reakce se elektrony hromadí na anodě a během reakce na katodě se spotřebovávají. Rozdíl v rychlosti těchto reakcí vede ke vzniku elektřiny. Proto se elektromotorické napětí mezi elektrodami galvanického článku rovná potenciálovému rozdílu mezi nimi.
Výskyt EMF v galvanickém článku
Je také důležité pochopit faktory, které ovlivňují chování galvanického článku. Jedním z nich je elektronová kapacita elektrod, tj. jejich schopnost akumulovat náboj. Kapacitu lze určit měřením elektromotorického pole (EMF) a proudu článku za různých podmínek. Záleží na faktorech, jako je plocha povrchu, typ použitého materiálu a elektrodový potenciál. Ten odráží tendenci elektrody ztrácet nebo získávat elektrony. Záleží na počtu iontů v látce, teplotě a dalších faktorech. Pochopení těchto faktorů vám umožňuje řídit chování galvanického článku a optimalizovat jeho výkon pro konkrétní aplikaci.
Elektromotorické síly galvanického článku jsou rozdílem elektrodových potenciálů:
Jedna z elektrod (anoda) je oxidační činidlo a druhá (katoda) je redukční činidlo. Můžeme tedy psát:
Pokud má elektromotorické síla znaménko plus, pak je oxidačně-redukční reakce spontánní. Jinak je spontánní reverzní reakce.
Pokud je elektrochemický článek za standardních podmínek, lze EMF na elektrodách galvanického prvku vypočítat pomocí standardních elektrodových potenciálů. Pro zjištění jejich hodnoty budete potřebovat speciální tabulku, kterou lze nalézt v referenční literatuře.
Tabulka standardních potenciálů
Rozdíl standardních elektrodových potenciálů je standardní elektromotorické napětí galvanického článku.
Chcete-li určit standardní EMF, například pro článek sestávající z olověných a niklových elektrod, měli byste nejprve najít potenciální hodnoty v tabulce a poté vypočítat rozdíl.
Potenciál elektrody je ovlivněn nejen chemickým složením materiálu, ze kterého je elektroda vyrobena, ale také teplotou a koncentrací iontů v roztoku. Pokud se tyto podmínky liší od standardních, používá se k výpočtu EMF Nernstův vzorec.
Metody měření elektromotorické síly
Elektromotorické napětí galvanického článku je reprezentováno jako dva skoky v potenciálu na rozhraní mezi kovem a roztokem. Není však možné měřit skok v potenciálu na každé z elektrod, ale lze měřit součet skoků na obou elektrodách. Pokud je tedy jedna z elektrod nahrazena tzv. referenční elektrodou, pak druhá elektroda vykazuje skok v potenciálu odlišný od elektromotorického napětí o určitou konstantní hodnotu, odpovídající hodnotě skoku v potenciálu v referenční elektrodě.
Jako referenční elektroda se běžně používá standardní vodíková elektroda s koncentrací vodíkových iontů 1 mol/litr při tlaku vodíku 101 kPa a teplotě 25 stupňů.
Standardní elektrodový potenciál
Měření EMF galvanického článku musí být prováděno bez proudu, protože jinak by v zkoumaném elektrochemickém systému probíhaly nevratné procesy spojené se změnami koncentrace činidel. Kromě toho přítomnost proudu v článku přispívá k polarizaci elektrod. Proto se používají katodové voltmetry s vysokým vnitřním odporem, které spotřebovávají velmi málo proudu. Častěji se však používá metoda, která spočívá ve vyrovnání EMF článku externím kalibrovaným rozdílem potenciálů. Nazývá se kompenzace. Nejjednodušší obvod pro měření EMF touto metodou je znázorněn na obrázku níže.
Schéma měření EMF kompenzační metodou
Galvanický článek, jehož elektromotorické síly je třeba měřit (Eх), je zapojen sériově s galvanometrem G. Měřený parametr je kompenzován elektromotorickou silou pomocného prvku E. Velikost této síly je známa a znaménko musí být opačné než znaménko elektromotorické síly zkoumaného prvku. Při měření je třeba změnit polohu bodu C, tj. poměr odporů úseků AC a AB (odpory jsou označeny jako n a n+m). Poměr elektromotorických sil tedy odpovídá poměru odporů:
Kompenzační metodu lze použít k určení EMF s poměrně vysokou přesností. Je třeba poznamenat, že výsledek měření není ovlivněn odporem galvanometru a připojovacích vodičů. Provozní proud pomocného prvku E se nastavuje pomocí referenčního prvku, jehož hodnota EMF je známa s přesností 0.001 %.
Dalším způsobem měření je použití potenciometru, zařízení, které dokáže s vysokou přesností měřit rozdíl potenciálů mezi dvěma body v obvodu. V tomto případě je k jednomu konci potenciometru připojen standardní prvek se známou elektromotorickou silou a k druhému galvanický prvek. Potenciometr se nastavuje, dokud rozdíl potenciálů mezi oběma body není nulový, načež lze vypočítat elektromotorickou sílu studovaného galvanického prvku.
Při manipulaci se stanovením elektromotorického napětí se používá také Kelvinův můstek, což je zařízení, které měří odpor vodiče s vysokou přesností. K můstku se připojí galvanický článek a poté se změří jeho odpor. Porovnáním výsledku měření se známým odporem referenčního prvku a na základě Ohmova zákona zjistíme elektromotorické napětí.
Schéma Kelvinova mostu
Elektromotorické síla galvanického článku se určuje jinou, méně běžnou metodou, která je založena na měření změny volné energie celkové reakce elektrochemického článku. Toho lze dosáhnout měřením změny entalpie a entropie systému a použitím Gibbsovy rovnice volné energie. Pokud je známa změna volné energie, potenciál se zjistí pomocí vzorce:
Gibbsova rovnice volné energie
Při měření potenciálu článku je důležité zajistit, aby článek byl za standardních podmínek. Patří sem teplota +25 stupňů, tlak 1 atm a koncentrace všech činidel 1 mol/l. Pokud článek není za standardních podmínek, lze k výpočtu potenciálu za nestandardních podmínek použít Nernstovu rovnici.
Související videa
