使用从头算方法计算标准氢电极的绝对电极电势

doi:10.12461/PKU.DXHX202407112

大学化学 >> 2025, Vol. 40 >> Issue (3): 215-222.doi: 10.12461/PKU.DXHX202407112

所属专题：理论与计算化学在化学及其交叉学科教学中的应用

使用从头算方法计算标准氢电极的绝对电极电势

刘宇昂, 武跃超, 黄钧宇, 王涛, 刘晓红, 言天英

南开大学材料科学与工程学院, 天津 300350

收稿日期:2024-07-26 录用日期:2025-02-13 发布日期:2025-03-19
通讯作者: 刘晓红, 言天英 E-mail:xhliu@nankai.edu.cn;tyan@nankai.edu.cn
基金资助:
2024年教育部产学合作协同育人项目(231000627083210)；南开大学2023年实验教学改革项目(23NKZZYQ11)；国家自然科学基金(22273040)

Computation of Absolute Electrode Potential of Standard Hydrogen Electrode Using Ab Initio Method

Yu'ang Liu, Yuechao Wu, Junyu Huang, Tao Wang, Xiaohong Liu, Tianying Yan

School of Materials Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China

Received:2024-07-26 Accepted:2025-02-13 Published:2025-03-19
Contact: Xiaohong Liu, Tianying Yan E-mail:xhliu@nankai.edu.cn;tyan@nankai.edu.cn

1. DXHX202407112-SI.pdf(524KB)

摘要/Abstract

摘要： 本文通过设计计算化学实验，采用量子化学从头算方法，结合热力学循环，计算出标准氢电极的绝对电极电势。具体方案为，通过自洽反应场方法，计算出质子在水中的溶剂化自由能。在此基础上，计算出标准氢电极半反应的吉布斯自由能，并通过能斯特方程计算出其绝对电极电势。通过本实验，可望加深学生对电极电势、氧化还原反应、能斯特方程、热力学循环、吉布斯自由能及量子化学从头算的理解。

关键词: 标准氢电极, 电极电势, 溶剂化自由能, 热力学循环, 团簇－连续介质模型

Abstract: This paper presents a computational chemistry experiment designed to calculate the absolute electrode potential of the standard hydrogen electrode (SHE) using quantum chemistry ab initio methods combined with thermodynamic cycles. The specific approach involves calculating the solvation free energy of protons in water using the self-consistent reaction field (SCRF) method. Based on this, the Gibbs free energy of the SHE half-reaction is determined, and its absolute electrode potential is calculated using the Nernst equation. This experiment aims to deepen students' understanding of electrode potentials, redox reactions, the Nernst equation, thermodynamic cycles, Gibbs free energy, and quantum chemistry ab initio methods.

Key words: Standard hydrogen electrode, Electrode potential, Solvation free energy, Thermodynamic cycle, Cluster-continuum model

刘宇昂, 武跃超, 黄钧宇, 王涛, 刘晓红, 言天英. 使用从头算方法计算标准氢电极的绝对电极电势[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 215-222.

Yu'ang Liu, Yuechao Wu, Junyu Huang, Tao Wang, Xiaohong Liu, Tianying Yan. Computation of Absolute Electrode Potential of Standard Hydrogen Electrode Using Ab Initio Method[J]. University Chemistry, 2025, 40(3): 215-222.

链接本文: https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.12461/PKU.DXHX202407112

https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/Y2025/V40/I3/215

参考文献

[1] Lewis, A.; Bumpus, J. A.; Truhlar, D. G.; Cramer, C. J. J. Chem. Educ. 2004, 81 (4), 596.
[2] Matsui, T.; Kitagawa, Y.; Okumura, M.; Shigeta, Y.; Sakaki, S. J. Comput. Chem. 2013, 34 (1), 21.
[3] Reiss, H.; Heller, A. J. Phys. Chem. 1985, 89 (20), 4207.
[4] Donald, W. A.; Leib, R. D.; O’Brien, J. T.; Bush, M. F.; Williams, E. R. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130 (11), 3371.
[5] Kelly, C. P.; Cramer, C. J.; Truhlar. D. G. J. Phys. Chem. B 2007, 111 (2), 408.
[6] Isse, A. A.; Gennaro, A. J. Phys. Chem. B 2010, 114 (23), 7894.
[7] Donald, W. A.; Leib, R. D.; Jeremy, T.; O’Brien, J. T.; Williams, E. R. Chem. Eur. J. 2009, 15 (24), 5926.
[8] Fawcett, W. R. Langmuir 2008, 24 (17), 9868.
[9] Tripkovic, V.; Björketun, M. E.; Skúlason, E.; Rossmeisl, J. Phys. Rev. B 2011, 84, 115452.
[10] Gomer, R.; Tryson, G. J. Chem. Phys. 1977, 66 (10), 4413.
[11] Trasatti, S. Pure Appl. Chem. 1986, 58 (7), 955.
[12] Bartmess, J. E. J. Phys. Chem. 1994, 98 (25), 6420.
[13] Trasatti, S. Electrochim. Acta 1990, 35 (1), 269.
[14] Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; et al. Gaussian 16, Revision C.01; Gaussian Inc.: Wallingford, CT, USA, 2016.
[15] Cheng, J.; Sprik, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14 (32), 11245.
[16] Marenich, A. V.; Cramer, C. J.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. B 2009, 113 (18), 6378.
[17] Pliego, J. R.; Riveros, J. M. J. Phys. Chem. A 2001, 105 (30), 7241.
[18] Eigen D. R. M. Angew Chem. Int Ed. Engl. 1964, 3 (1), 1.
[19] Zhao, Y.; Schultz, N. E.; Truhlar, D. G. J. Chem. Theory Comput. 2006, 2 (2), 364.
[20] Ben-Naim, A. J. Phys. Chem. 1978, 82 (7), 792.
[21] Foresman, J. B., Frish A. Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods, 3rd ed.; Gaussian Inc.: Wallingford, CT, USA, 2015; pp. 207-210.

使用从头算方法计算标准氢电极的绝对电极电势

Computation of Absolute Electrode Potential of Standard Hydrogen Electrode Using Ab Initio Method

PDF

赞

补充材料

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 10

Metrics

推荐阅读 0

[1]	吴强, 侯文华. 经典内容、常教常新——以温-熵图为例[J]. 大学化学, 2025, 40(4): 399 -407 .
[2]	刘季铨, 郭慧林, 杨鹰, 郭晓辉. 水氧化还原反应中电极电势的计算和讨论[J]. 大学化学, 2024, 39(8): 351 -358 .
[3]	刘宇昂, 刘晓红, 李姝, 叶世海, 李国然, 言天英. Cu-Zn原电池标准电动势测定实验的计算化学设计[J]. 大学化学, 2023, 38(9): 227 -233 .
[4]	蓝尤钊, 王月娟. 数轴在电化学教学中的妙用[J]. 大学化学, 2022, 37(6): 2108060 - .
[5]	郭慧林, 许文华. 关于对消法测定电池电动势实验中标准电池的讨论[J]. 大学化学, 2022, 37(6): 2108030 - .
[6]	黄荣彬,匡勤,黄华奇. 热力学在无机化学“四大平衡”教学中的应用[J]. 大学化学, 2018, 33(4): 74 -78 .
[7]	章应辉. 不同标态下标准电极电势间关系的热力学解释[J]. 大学化学, 2015, 30(3): 66 -70 .
[8]	范广, 孙家娟, 马占营, 张引莉. 锂标准电极电势反常现象的热力学讨论[J]. 大学化学, 2014, 29(6): 59 -61 .
[9]	刘旭青, 张树永. 碱金属单质还原能力与还原活性顺序差异的讨论[J]. 大学化学, 2013, 28(3): 55 -60 .
[10]	陈良坦. 热力学平衡中的假想态浅议[J]. 大学化学, 2012, 27(3): 59 -61 .