मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड

विद्युत्-रसायन में, मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (संक्षिप्त SHE), एक रेडॉक्स इलेक्ट्रोड है जो मानक इलेक्ट्रोड क्षमता की तालिका में ऑक्सीकरण-कमी क्षमता के ऊष्मप्रवैगिकी पैमाने का आधार बनाता है। इसकी पूर्ण इलेक्ट्रोड क्षमता होने का अनुमान है 4.44 ± 0.02 V 25 डिग्री कक्ष्सियस पर, लेकिन अन्य सभी विद्युत रसायनिक प्रतिक्रियाओं के साथ तुलना के लिए एक आधार बनाने के लिए, हाइड्रोजन की मानक इलेक्ट्रोड क्षमता (E°) को किसी भी तापमान पर शून्य वोल्ट घोषित किया जाता है। अन्य सभी इलेक्ट्रोड की क्षमता की तुलना उसी तापमान पर मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड से की जाती है।

SHE के लिए नर्नस्ट समीकरण

See also: Nernst equation, Thermodynamic activity, and Standard state

हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड दो हाइड्रेटेड हाइड्रोनियम आयन की कमी के अनुरूप रेडॉक्स आधा कक्ष पर आधारित है, 2H⁺_(aq), एक गैसीय हाइड्रोजन अणु में, H_2(g).

कमी प्रतिक्रिया के लिए सामान्य समीकरण:

${\underset {\text{ox}}{\text{(oxidant)}}}+z{\ce {e- <=>}}\ {\underset {\text{red}}{\text{(reductant)}}}$

प्रतिक्रिया भागफल (Q_r) आधी प्रतिक्रिया का रासायनिक गतिविधि के बीच का अनुपात है (a) घटे हुए रूप का (कम करना , a_red) और ऑक्सीकृत रूप (आक्सीकारक, a_ox).

$Q_{r}={\frac {a_{\text{red}}}{a_{\text{ox}}}}$

मानते हुए 2 H⁺ / H₂ रेडॉक्स जोड़ी:

${\ce {2H_{(aq)}+ + 2e- <=> H2_{(g)}}}$

रासायनिक संतुलन पर, अनुपात Q_r अभिकर्मकों द्वारा प्रतिक्रिया उत्पादों का संतुलन स्थिरांक K के आधी प्रतिक्रिया के बराबर है :

$K={\frac {a_{\text{red}}}{a_{\text{ox}}}}={\frac {a_{\mathrm {H_{2}} }}{a_{\mathrm {H^{+}} }^{2}}}={\frac {p_{\mathrm {H_{2}} }/p^{0}}{a_{\mathrm {H^{+}} }^{2}}}={\frac {x_{\mathrm {H_{2}} }p/p^{0}}{a_{\mathrm {H^{+}} }^{2}}}$

कहाँ

• $a_{\text{red}}$ और $a_{\text{ox}}$ रेडॉक्स प्रतिक्रिया में सम्मिलित कम और ऑक्सीकृत प्रजातियों की रासायनिक गतिविधि के अनुरूप
• $a_{\mathrm {H^{+}} }$ की गतिविधि को दर्शाता है H⁺
  ।
• $a_{\mathrm {H_{2}} }$ गैसीय हाइड्रोजन की रासायनिक गतिविधि को दर्शाता है (H
  ₂), जो यहाँ इसकी उग्रता से अनुमानित है $p_{\mathrm {H_{2}} }.$
• $p_{\mathrm {H_{2}} }$ इकाई के बिना व्यक्त गैसीय हाइड्रोजन के आंशिक दबाव को दर्शाता है; $p_{\mathrm {H_{2}} }=x_{\mathrm {H_{2}} }\cdot p,$ कहाँ
  • $x_{\mathrm {H_{2}} }$ है H
    ₂ मोल - अंश
  • $p$ प्रणाली में कुल गैस का दबाव है
• p⁰ मानक दबाव है (1 बार = 10⁵ पास्कल) केवल दबाव इकाई पर काबू पाने और इकाई के बिना एक संतुलन स्थिरांक प्राप्त करने के लिए यहां प्रस्तुत किया गया।

ऊष्मप्रवैगिकी गणना में दबाव इकाई से छुटकारा पाने के लिए गैस अस्थिरता के प्रबंधन के बारे में अधिक जानकारी ऊष्मप्रवैगिकी गतिविधि गैसों पर पाई जा सकती है। अनुवर्ती दृष्टिकोण रासायनिक गतिविधि और विलयन में विलेय की मोलर सांद्रता के समान है। SHE में, शुद्ध हाइड्रोजन गैस ($x_{\mathrm {H_{2}} }=1$) मानक दबाव पर $p$ का 1 छड़ प्रणाली में लगी हुई है। इस बीच सामान्य SHE समीकरण को अन्य ऊष्मप्रवैगिकी प्रणालियों पर भी लागू किया जा सकता है जिसमें विभिन्न तिल अंश या हाइड्रोजन का कुल दबाव होता है।

यह रेडॉक्स प्रतिक्रिया प्लेटिनाइज्ड प्लैटिनम इलेक्ट्रोड पर होती है। इलेक्ट्रोड को एक अम्लीय घोल में डुबोया जाता है और इसके माध्यम से शुद्ध हाइड्रोजन गैस बुदबुदाई जाती है। घटे हुए रूप और ऑक्सीकृत रूप दोनों की सांद्रता एकता पर बनी रहती है। इसका अर्थ है कि हाइड्रोजन गैस का दबाव 1 बार (100 kPa) है और विलयन में हाइड्रोजन आयनों का गतिविधि गुणांक एकता है। हाइड्रोजन आयनों की गतिविधि उनकी प्रभावी एकाग्रता है, जो गतिविधि गुणांक के औपचारिक एकाग्रता समय के बराबर है। ये यूनिट-कम गतिविधि गुणांक बहुत पतला पानी के समाधान के लिए 1.00 के करीब हैं, लेकिन सामान्यत: अधिक केंद्रित समाधानों के लिए कम होते हैं।

संतुलन पर नर्नस्ट समीकरण का सामान्य रूप निम्नलिखित है:

$$E_{\text{cell}}=E_{\text{cell}}^{\ominus }-{\frac {RT}{zF}}\ln K$$

और जैसे $E_{\text{cell}}^{\ominus }=0$ एसएचई के प्रकरण में परिभाषा के अनुसार,

SHE के लिए नर्नस्ट समीकरण बन जाता है:

$E=0-{RT \over 2F}\ln {\frac {p_{\mathrm {H_{2}} }/p^{0}}{a_{\mathrm {H^{+}} }^{2}}}$

$E=-2.303\,{RT \over F}\left(\mathrm {pH} +{\frac {1}{2}}\log {\frac {p_{\mathrm {H_{2}} }}{p^{0}}}\right)$

$p_{\mathrm {H_{2}} }$ में मौजूद दबाव इकाई की केवल उपेक्षा करना, यह अंतिम समीकरण प्राय: सीधे तौर पर लिखा जा सकता है:

$E=-2.303\,{RT \over F}\left(\mathrm {pH} +{\frac {1}{2}}\log p_{\mathrm {H_{2}} }\right)$

और अवधि के लिए संख्यात्मक मानों को हल करके

$-2.303\,{RT \over F}=-2.303\left({\frac {8.314\times 298.15}{96,485}}\right)=-0.0591\ \mathrm {volts,}$

इस नर्नस्ट समीकरण की गणना में सामान्यत: उपयोग किया जाने वाला व्यावहारिक सूत्र है:

$E=-0.0591\left(\mathrm {pH} +{\frac {1}{2}}\log p_{\mathrm {H_{2}} }\right)$ (इकाई: वाल्ट )

मानक शर्तों के तहत के रूप में $p_{\mathrm {H_{2}} }=1{\text{ bar,}}$ $\log p_{\mathrm {H_{2}} }=\log 1=0,$ समीकरण सरल करता है:

$E=-0.0591\ \mathrm {pH}$ (इकाई: वोल्ट)

यह अंतिम समीकरण -0.0591 वोल्ट/पीएच इकाई के नकारात्मक ढलान के साथ सीधी रेखा का वर्णन करता है जो पौरबैक्स आरेख में पानी के निचले स्थिरता क्षेत्र को परिसीमित करता है जहां पानी के अपघटन के कारण गैसीय हाइड्रोजन विकसित हो रहा है।

कहाँ:

• $a_{\mathrm {H^{+}} }$ हाइड्रोजन आयनों की गतिविधि (रसायन विज्ञान) है (एच⁺) जलीय घोल में, $a_{\mathrm {H^{+}} }=\gamma _{\mathrm {H^{+}} }{\tfrac {C_{\mathrm {H^{+}} }}{C^{0}}}$
  साथ:
  • $\gamma _{\mathrm {H^{+}} }$ हाइड्रोजन आयनों का गतिविधि गुणांक है (H⁺) जलीय घोल में
  • $C_{\mathrm {H^{+}} }$ हाइड्रोजन आयनों की मोलर सांद्रता है (H⁺) जलीय घोल में
  • C⁰ एकाग्रता इकाई पर काबू पाने के लिए उपयोग की जाने वाली मानक एकाग्रता (1 एम) है
• $p_{\mathrm {H_{2}} }$ बार (इकाई) में हाइड्रोजन गैस का आंशिक दबाव है (1 bar = 10⁵ Pa)
• R सार्वभौमिक गैस स्थिरांक है: 8.3144 joule⋅kelvin⁻¹⋅मोल (इकाइयां)⁻¹ (यहाँ 4 दशमलव तक पूर्णांक बनाया गया है)
• T पूर्ण तापमान है, केल्विन में (25 °C पर: 298.15 K)
• F फैराडे स्थिरांक (इलेक्ट्रॉनों के प्रति मोल आवेश) के बराबर है 96,485.3 coulomb·mol⁻¹
• p⁰ मानक दबाव है: 1 bar = 10⁵ Pa

Note: चूंकि प्रणाली रासायनिक संतुलन में है, हाइड्रोजन गैस, H_2(g), भंग हाइड्रोजन के साथ भी संतुलन में है, H_2(aq), और र्नस्ट समीकरण स्पष्ट रूप से गैस विघटन के लिए हेनरी के प्रावधान को ध्यान में रखता है। इसलिए, प्रणाली में गैस के विघटन की प्रक्रिया पर स्वतंत्र रूप से विचार करने की कोई आवश्यकता नहीं है, क्योंकि यह पहले से ही वास्तविक रूप से सम्मिलित है।

SHE बनाम NHE बनाम RHE

विद्युत रसायन के प्रारंभिक विकास के दौरान, शोधकर्ताओं ने शून्य क्षमता के लिए सामान्य हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड को अपने मानक के रूप में उपयोग किया था। यह सुविधाजनक था क्योंकि यह वास्तव में लगभग 1 वायुमंड्लीय दबाव पर समाधान के माध्यम से 1 सामान्यत:(रसायन विज्ञान) जटिल अम्ल और बुलबुला हाइड्रोजन गैस के समाधान में प्लैटिनम इलेक्ट्रोड को विसर्जित करके बनाया जा सकता था। हालाँकि, इस इलेक्ट्रोड/समाधान अंत:फलक को बाद में बदल दिया गया था। इसकी जगह एक सैद्धांतिक इलेक्ट्रोड/समाधान अंत:फलक था, जहां एच की एकाग्रता⁺ 1 दाढ़ थी, लेकिन H⁺ आयनों को अन्य आयनों के साथ कोई संपर्क नहीं माना गया (ऐसी स्थिति जो उन सांद्रता पर शारीरिक रूप से प्राप्य नहीं है)। इस नए मानक को पिछले वाले से अलग करने के लिए इसे 'मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड' नाम दिया गया था।

अंत में, आरएचई (प्रतिवर्ति हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड) शब्द भी उपस्थित है, जो एक व्यावहारिक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड है, जिसकी क्षमता समाधान के पीएच पर निर्भर करती है।

सारांश,

NHE (सामान्य हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड): 1M अम्ल समाधान में प्लैटिनम इलेक्ट्रोड की क्षमता

SHE (मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड): एक सैद्धांतिक आदर्श समाधान में प्लैटिनम इलेक्ट्रोड की क्षमता (सभी तापमानों के लिए शून्य क्षमता के लिए वर्तमान मानक)

आरएचई (प्रतिवर्ती हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड): एक व्यावहारिक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड जिसकी क्षमता समाधान के पीएच पर निर्भर करती है

प्लैटिनम का चुनाव

हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के लिए प्लेटिनम का चुनाव कई कारकों के कारण होता है:

• प्लेटिनम की जड़ता (यह खुरचना नहीं करता है)
• प्लेटिनम की प्रोटॉन अपचयन की प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करने की क्षमता
• प्लैटिनम पर प्रोटॉन रिडक्शन के लिए एक उच्च आंतरिक विनिमय वर्तमान घनत्व
• क्षमता की उत्कृष्ट पुनरुत्पादन क्षमता (10 μV से कम का पूर्वाग्रह जब दो अच्छी तरह से बनाए गए हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड की एक दूसरे के साथ तुलना की जाती है)

प्लेटिनम की सतह को प्लैटिनीकृत किया जाता है (अर्थात महीन चूर्ण वाली प्लेटिनम की एक परत से ढका जाता है जिसे प्लेटिनम काला के रूप में भी जाना जाता है):

• कुल सतह क्षेत्र बढ़ाएँ। यह प्रतिक्रिया कैनेटीक्स और अधिकतम संभव वर्तमान में सुधार करता है
• एक ऐसी सतह सामग्री का उपयोग करें जो अपने अंत:फलक पर हाइड्रोजन को अच्छी तरह से सोख ले। यह प्रतिक्रिया कैनेटीक्स में भी सुधार करता है

पैलेडियम-हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड जैसे समान कार्य वाले इलेक्ट्रोड बनाने के लिए अन्य धातुओं का उपयोग किया जा सकता है।

हस्तक्षेप

प्लेटिनम ब्लैक प्लेटिनम इलेक्ट्रोड की उच्च सोखन गतिविधि के कारण, कार्बनिक यौगिक के साथ-साथ वायुमंडलीय रसायन विज्ञान की उपस्थिति से इलेक्ट्रोड सतह और समाधान की रक्षा करना बहुत महत्वपूर्ण है। अकार्बनिक आयन जो इलेक्ट्रोड पर एक कम वैलेंस (रसायन विज्ञान) के लिए रिडॉक्स हो सकते हैं, से भी बचना होगा (उदाहरण के लिए, Fe³⁺
, CrO²⁻
₄). प्लेटिनम की सतह पर हाइड्रोजन द्वारा कई कार्बनिक पदार्थों को भी कम किया जाता है, और इनसे भी बचा जाना चाहिए।

आयन जिसे कम किया जा सकता है और प्लेटिनम पर जमा किया जा सकता है, हस्तक्षेप का स्रोत हो सकता है: चांदी, पारा (तत्व), तांबा, सीसा, कैडमियम और थालियम।

पदार्थ जो कटैलिसीस साइटों को निष्क्रिय (जहर) कर सकते हैं उनमें हरताल , सल्फाइड और अन्य गंधक यौगिक, कोलाइड पदार्थ, क्षाराभ और जैविक प्रणालियों में पाए जाने वाले पदार्थ सम्मिलित हैं।

समस्थानिक प्रभाव

ड्यूटेरियम युगल की मानक रेडॉक्स क्षमता प्रोटॉन युगल (ca. -0.0044 V बनाम SHE) से थोड़ी भिन्न होती है। इस श्रेणी में विभिन्न मान प्राप्त किए गए हैं: -0.0061 वी, -0.00431 वी, -0.0074 वी।

${\ce {2 D_{(aq)}+ + 2 e- -> D2_{(g)}}}$

इसके अतिरिक्त अंतर तब होता है जब इलेक्ट्रोड में हाइड्रोजन के बजाय हाइड्रोजन ड्यूटेरियम (एचडी, या ड्यूटेरेटेड हाइड्रोजन, डीएच) का उपयोग किया जाता है।

प्रायोगिक सेटअप

मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड की योजना

मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड की योजना:

1. प्लैटिनम ब्लैक प्लैटिनम इलेक्ट्रोड
2. हाइड्रोजन गैस
3. एच की गतिविधि के साथ अम्ल का समाधान⁺ = 1 मोल डीएम⁻³
4. ऑक्सीजन हस्तक्षेप को रोकने के लिए हाइड्रोसील
5. जलाशय जिसके माध्यम से बिजलीउत्पादक कक्ष का दूसरा आधा तत्व जुड़ा होना चाहिए। अन्य इलेक्ट्रोड और समाधान के आधार पर मिश्रण को कम करने के लिए एक संकीर्ण नली के माध्यम से या नमक पुल के माध्यम से संबंध प्रत्यक्ष हो सकता है। इस रुचि के कार्य करने वाले इलेक्ट्रोड के लिए एक आयनिक प्रवाहकीय पथ बनाता है।

यह भी देखें

• मानक इलेक्ट्रोड क्षमता की तालिका
• प्रतिवर्ती हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड
• पैलेडियम हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड
• संदर्भ इलेक्ट्रोड
• गतिशील हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड
• क्विनहैड्रोन इलेक्ट्रोड
• ऊष्मप्रवैगिकी गतिविधि
• मानक स्थिति

बाहरी संबंध

• Palibroda, Evelina (January 1967). "Note sur l'activation anodique de la surface du métal support de l'électrode à hydrogène". Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 15: 92–95. doi:10.1016/0022-0728(67)85013-7.