Zasto vodonik ima posebno mjesto u naponskom nizu?

U osnovi naponskog niza leži elektrohemijska priča. O osnovnim elektrohemijskim pojmovima je već bilo reči na nekoj drugoj temi.

Svaka elektroda u konkretnoj elektrohemijskoj ćeliji se karakteriše elektrodnim potencijalom. On je definisan Nernstovom jednačinom:

E = E⁰ + (RT/nF)*ln(a_oks/a_red) ,

gde je E - elektrodni potencijal, E⁰ - standardni elektrodni potencijal, R - univerzalna gasna konstanta, T - temperatura, n - broj prenetih elektrona po jednoj reagujućoj čestici, F - Faradejeva konstanta, a_oks - aktivnost oksidovane vrste, a_red - aktivnost redukovane vrste.

Elektrodni potencijal je relativna veličina, tj. on se ne može direktno meriti, ne možemo znati njegovu apsolutnu vrednost. Mi ga možemo meriti samo u odnosu na potencijal neke druge elektrode.  Praktično, mi možemo meriti samo elektromotornu silu koja je jednaka razlici potencijala dveju spregnutih elektroda. Bez obzira na ovo, pojam elektrodnog potencijala kao relativne veličine, u praksi se pokazao kao vrlo koristan.

Vodonična elektroda s jediničnim aktivnostima učesnika elektrodne reakcije je opšte prihvaćena kao osnovna referentna elektroda u odnosu na koju se mere i izražavaju elektrodni potencijali drugih elektroda. Pravi se od inertnog metala, najbolje je od platine, u obliku žice ili folije, uronjene u rastvor kiseline kroz koji se propušta struja gasovitog vodonika. Na površini platine, kao posrednika u razmeni elektrona, odigrava se elektrodna reakcija uz učešće gasovitog vodonika i njegovih jona u rastvoru:

1/2H₂ ---> H⁺ + e^- .

Ako su aktivnosti vodoničnih jona i pritisak gasovitog vodonika jedinični, potencijal vodonične elektrode svodi se samo na njen standardni potencijal E⁰. Prema konvenciji koja važi u elektrohemijskoj praksi standardni potencijal vodonične elektrode jednak je nuli. Na osnovu ovog dogovora, elektrodni potencijal definiše se kao elektromotorna sila galvanskog elementa sastavljenog od ispitivane i standardne vodonične elektrode. Skala elektrodnih potencijala određenih na osnovu ove definicije zove se vodonična skala potencijala (elektrohemijski niz, naponski niz, Voltin niz).

Primene naponskog niza su mnogobrojne. Npr: za određivanje spontanog toka hemijske reakcije u standardnim uslovima, za određivanje standardne elektromotorne sile i termodinamičkih veličina koje iz nje proizilaze, za određivanje ravnotežnog potencijala u nestandardnim uslovima, za predviđanje redosleda elektrolitičkog razlaganja komponenti elektrolitičkog rastvora itd.

Nula elektrodnog potencijala, kao što je već rečeno, odgovara potencijalu standardne vodonične elektrode. Metali sa negativnijim potencijalom od vodonične elektrode se lakše oksidišu. S druge strane, metaliji sa pozitivnijim potencijalom su stabilniji (plemenitiji). Svaki metal istiskuje iz rastvora jon metala čiji je potencijal pozitivniji od njegovog. Reakcija istiskivanja jona iz rastvora metalom sa negativnijim potencijalom naziva se cementacija metala (npr. prečišćavanje elektrolita za dobijanje cinka od jona bakra, zlata ili srebra dodavanjem praha cinka).

Metali koji su u elektrohemijskom nizu negativniji od vodonika rastvaraju se u kiselinama oslobađajući vodonik, a metali koji su pozitivniji od vodonika reaguju samo sa kiselinama koje su jaka oksidaciona sredstva (npr. HNO₃), ali bez izdvajanja vodonika.

Oksidaciono-redukciona sposobnost nekog elementa, jedinjenja ili jonske vrste zavisi od položaja u naponskom nizu. Oksidaciona sposobnost oksidovanog oblika (katjon, nemetal) raste u smeru porasta elektrodnog potencijala od (-) ka (+), a redukciona sposobnost redukovanog oblika (metal, anjon) raste u smeru od pozitivnog ka negativnom elektrodnom potencijalu.

Na kraju, recimo i to da se u fizici, naročito u fizici poluprovodnika, koristi tzv. vakuumska skala potencijala. Nula ove skale je potencijal tačke u vakuumu na beskonačno velikoj udaljenosti od bilo kakvih naelektrisanih čestica. Metodama određivanja izlaznog rada elektrona određen je odnos vakuumske i vodonične skale. Tako, standardna vodonična elektroda čiji potencijal predstavlja nulu vodonične skale, na vakuumskoj skali ima potencijal -4,6V.