Классификация электродов

Электрод в электрохимии представляет собой проводник первого или второго рода, погружённый в электролитическую среду и способный участвовать в электрохимических процессах. Электроды служат местом протекания окислительно-восстановительных реакций и являются ключевым элементом в построении гальванических элементов, электролизёров, датчиков и других систем. Их классификация основана на природе фаз, участвующих в образовании электродного потенциала, а также на механизме установления равновесия.

Электроды первого рода

Электроды первого рода формируются металлом, находящимся в равновесии с собственными ионами в растворе. Такой электрод описывается реакцией:

Men+ + ne− ↔︎ Me

Потенциал определяется активностью катионов металла в растворе. Примеры:

  • медный электрод (Cu | CuSO₄),
  • серебряный электрод (Ag | AgNO₃),
  • цинковый электрод (Zn | ZnSO₄).

Особенность — зависимость потенциала от концентрации ионов данного металла, что позволяет использовать такие электроды в качестве индикаторных при проведении потенциометрических измерений.

Электроды второго рода

Электроды второго рода представляют собой металл, покрытый малорастворимой солью, находящейся в контакте с раствором, содержащим анион этой соли. Их потенциал определяется активностью аниона, а не катиона металла. Образование потенциала описывается схемой:

MeX (тв.) + e− ↔︎ Me (тв.) + X− (р − р)

Наиболее распространённые примеры:

  • хлорсеребряный электрод (Ag | AgCl, KCl),
  • каломельный электрод (Hg | Hg₂Cl₂, KCl).

Эти электроды широко применяются в качестве электродов сравнения благодаря стабильности потенциала и воспроизводимости.

Газовые электроды

Газовые электроды основаны на равновесии между газом, ионами в растворе и платиновым (или иным инертным) проводником. Схема их построения включает газовую фазу, платиновый электрод-катализатор и раствор электролита.

Примеры:

  • водородный электрод (Pt | H₂ | H⁺), служащий стандартом для измерения электродных потенциалов;
  • кислородный электрод (Pt | O₂ | OH⁻ или H⁺), применяемый в топливных элементах и электрохимическом анализе.

Окислительно-восстановительные электроды

Данный тип электродов формируется при наличии в растворе двух форм одного и того же элемента, находящихся в разных степенях окисления. Электрод изготавливается из инертного материала (платина, золото, графит), который обеспечивает перенос электронов, но не участвует в химических реакциях.

Пример:

Pt|Fe2+, Fe3+

Потенциал таких электродов определяется отношением концентраций окисленной и восстановленной формы вещества, что описывается уравнением Нернста.

Ионселективные электроды

К этой группе относятся электроды, обладающие мембраной или иной селективной фазой, избирательно реагирующей на определённый ион. Их потенциал связан с активностью выбранного иона в растворе, что делает их удобными в аналитической химии для определения концентрации различных ионов.

Примеры:

  • стеклянный электрод для измерения активности протонов (pH-метрия),
  • фторид-селективный электрод (LaF₃-мембрана),
  • электрод на основе ионообменных мембран для определения Ca²⁺ или NO₃⁻.

Электроды сравнения

Электроды сравнения используются для измерения потенциалов других систем и должны обладать стабильным, воспроизводимым потенциалом, мало зависящим от условий эксперимента. Наиболее распространены:

  • стандартный водородный электрод,
  • насыщенный каломельный электрод (НКЭ),
  • хлорсеребряный электрод.

Рабочие и вспомогательные электроды

В электрохимических исследованиях различают:

  • рабочий электрод — электрод, на котором протекает исследуемая реакция;
  • вспомогательный электрод — обеспечивает замыкание цепи (обычно платиновая проволока или пластина);
  • электрод сравнения — обеспечивает стабильный потенциал для измерений.

Такое разделение необходимо при использовании трёхэлектродной схемы в вольтамперометрии и других методах электрохимического анализа.

Сводная классификация

  • По природе фазы: металлические, неметаллические, газовые.
  • По механизму установления потенциала: электроды первого рода, второго рода, окислительно-восстановительные.
  • По назначению: индикаторные, ионселективные, электроды сравнения, рабочие и вспомогательные.

Многообразие электродов обусловлено различными задачами электрохимии: от измерения термодинамических характеристик до аналитического определения веществ и построения источников тока.

Оглавление