什麼是標準電極電位

在標準狀態下,以標準氫電極為0 V,表示金屬與其離子等電極反應平衡電位的值。越負越容易被氧化。

日文名稱: 標準電極電位

「標準電極電位」出現在1領域的2道練習題中(腐蝕與表面處理等)。

這個名詞所屬的領域: 腐蝕與表面處理

電位的基準與意義

標準電極電位是在25℃、離子活性為1等標準狀態下,以標準氫電極(2H⁺ + 2e⁻ ⇄ H₂)為0 V,表示電極反應 Mⁿ⁺ + ne⁻ ⇄ M 平衡電位的值。例如Cu²⁺/Cu為+0.34 V,Fe²⁺/Fe為−0.44 V,Zn²⁺/Zn為−0.76 V。值越負的活潑金屬越容易釋出電子成為陽離子,值越正的惰性金屬越不易成為離子。組合2個電極的電池電動勢,以惰性側的電位減去活潑側的電位求得。

與腐蝕難易的關係

金屬要腐蝕,需要與金屬溶解成對的陰極反應。在中性水中是氧的還原,在酸性溶液中是氫的生成,金屬的電位低於這些反應的電位時,腐蝕在熱力學上可能發生。金與鉑幾乎不腐蝕,是因為電位非常惰性。另一方面,電位活潑的鋅與鎂被用作保護鋼的犧牲陽極。異種金屬接觸時哪一方溶解,也能由電位的高低判斷。

使用時的注意

標準電極電位是由平衡熱力學決定的值,並不告訴我們腐蝕的速率。鋁為−1.66 V,鈦為−1.63 V,非常活潑,但由於表面緻密的氧化膜,在實際環境中相當耐蝕。此外,實際溶液的離子濃度與溫度與標準狀態不同,電位依能斯特方程式改變。因此評估異種金屬的組合時,一般使用在海水等實際環境中量測的自然電位序列(電偶序列)。

練習標準電極電位的題目

25℃時的標準電極電位,Cu²⁺/Cu 為 +0.34 V,Fe²⁺/Fe 為 −0.44 V,Zn²⁺/Zn 為 −0.76 V。在這3種金屬中,熱力學上最容易被氧化(最容易成為陽離子)的是下列何者?

  1. A銅
  2. B鐵
  3. C鋅
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正確答案:C. 鋅

標準電極電位是以標準氫電極為0 V,表示金屬與其離子平衡的值。數值越負(越活潑)的金屬,釋出電子成為陽離子的傾向越強,因此3者中−0.76 V的鋅最容易被氧化,+0.34 V的銅則是最不易被氧化(較惰性)的金屬。選銅的選項是把正負號的方向讀反的錯誤。鐵(−0.44 V)比鋅惰性,因此不像鋅那麼容易被氧化。不過,標準電極電位表示的是發生難易的傾向,而不是實際的腐蝕速率。例如鋁為−1.66 V而非常活潑,但由於表面緻密的氧化膜,在大氣中相當耐蝕。評估實際環境中的組合,要使用在海水中量測的自然電位序列(電偶序列)。

在海水中的鋼結構物上安裝鋅犧牲陽極。設標準電極電位 Fe²⁺/Fe 為 −0.44 V,Zn²⁺/Zn 為 −0.76 V,視為標準狀態的電池時,電動勢與溶解金屬的組合,下列何者正確?

  1. A約0.32 V,鋅溶解而鋼受到保護
  2. B約0.32 V,鋼溶解而鋅受到保護
  3. C約1.20 V,鋅溶解而鋼受到保護
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正確答案:A. 約0.32 V,鋅溶解而鋼受到保護

電動勢是以陰極側(較惰性的鐵)的電位減去陽極側(較活潑的鋅)的電位,E = −0.44 − (−0.76) = 0.32 V。較活潑的鋅成為陽極,以 Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ 溶解,其電子流入鋼而使鋼成為陰極,因此鋼的溶解受到抑制。這就是以犧牲陽極的防蝕(犧牲陽極法),用於船體、港灣鋼結構物、地下管線等,陽極會消耗,因此需定期更換。約1.20 V是把2個電位的大小相加的錯誤。約0.32 V而鋼溶解的選項,把惰性與活潑的方向弄反了。實際海水中的電位與標準電極電位不同,但鋅比鋼活潑的關係不變。

常見問題

電極電位的「活潑」與「惰性」是什麼意思?

電極電位位於負側的金屬稱為活潑(active,也稱為卑),位於正側的金屬稱為惰性(noble,也稱為貴)。越活潑的金屬越容易成為離子,異種金屬接觸時活潑的一側會溶解。

離子化傾向與標準電極電位相同嗎?

離子化傾向的順序,大致是將標準電極電位由低到高排列的順序。可以把標準電極電位視為以數值表示的離子化傾向。

鋁的電位很活潑,為什麼不易生鏽?

因為表面形成緻密而穩定的氧化膜,阻礙進一步的反應。標準電極電位只表示發生難易的傾向,不包含氧化膜造成的速率差異。

解析中的「標準電極電位」

出現「標準電極電位」的題目(2題)

  1. 25℃時的標準電極電位,Cu²⁺/Cu 為 +0.34 V,Fe²⁺/Fe 為 −0.44 V,Zn²⁺/Zn 為 −0.76 V。在這3種金屬中,熱力學上最容易被氧化(最容易成為陽離子)的是下列何者?
  2. 在海水中的鋼結構物上安裝鋅犧牲陽極。設標準電極電位 Fe²⁺/Fe 為 −0.44 V,Zn²⁺/Zn 為 −0.76 V,視為標準狀態的電池時,電動勢與溶解金屬的組合,下列何者正確?

相關名詞

犧牲陽極 孔蝕 局部電池 法拉第定律 鈍態 電偶腐蝕 應力腐蝕破裂

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