Leictriceimic: Poitéinsil Chille, Fuinneamh Saor agus Cothromóid Nernst

Taobh istigh de chill ghalvánach: anóid, catóid agus droichead salainn

Iompaíonn cill ghalvánach (voltach) imoibriú redox spontáineach ina obair leictreach. Sa chill chlasaiceach sinc–copair, bíonn stiall sinc i dtuaslagán Zn²⁺ agus stiall chopair i dtuaslagán Cu²⁺. Ocsaídítear an sinc, Zn → Zn²⁺ + 2e⁻, agus taistealaíonn na leictreoin tríd an sreang go dtí an stiall chopair, áit a dtarlaíonn Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu.

Tarlaíonn ocsaídiú ag an anóid i gcónaí agus laghdú ag an gcatóid. I gcill ghalvánach is í an anóid an leictreoid dhiúltach, toisc go scaoileann sí leictreoin isteach sa sreang. Ligeann droichead salainn, a líontar go minic le tuaslagán KNO₃, d'ianta bogadh idir an dá eascra ionas nach gcarnann glanmhuirear in aon cheann acu. Gan é, stopann an sruth beagnach láithreach.

Liostaíonn nodaireacht chille an anóid ar chlé agus an chatóid ar dheis: Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s). Marcálann barra aonair teorainn chéime agus marcálann an barra dúbailte an droichead salainn. Mura bhfuil miotal soladach i leath-imoibriú, scríobhtar leictreoid támh ar nós platanaim ag an gceann seachtrach.

Tábla poitéinseal laghdaithe caighdeánach a léamh

Faigheann gach leath-imoibriú poitéinseal laghdaithe caighdeánach, E°, arna thomhas i gcoibhneas leis an leictreoid chaighdeánach hidrigine, a sanntar 0 V go beacht di. Is iad na coinníollacha caighdeánacha 1 M do speicis thuaslagtha, 1 bar do gháis agus, i bhformhór na dtáblaí, 25 °C. Scríobhtar gach iontráil mar laghdú.

Dá dhearfaí E°, is láidre a tharraingíonn an fhoirm ocsaídithe leictreoin chuici. Is é F₂ ag +2.866 V an gníomhaire ocsaídiúcháin coitianta is láidre in Aguisín L. Is é Li⁺ ag −3.04 V an t-ian is deacra a laghdú, mar sin is gníomhaire laghdaithe an-láidir é miotal litiam. Luachanna a úsáidtear thíos ó Aguisín L: Ag⁺/Ag +0.7996 V, Cu²⁺/Cu +0.337 V, Ni²⁺/Ni −0.257 V agus Zn²⁺/Zn −0.7618 V.

Sampla oibrithe: E°cell don chill sinc–copair

Úsáid E°cell = E°catóid − E°anóid, leis an dá luach glactha mar atá siad scríofa sa tábla laghdaithe. Tá an E° is dearfaí ag copar, mar sin laghdaítear é agus is é an chatóid é. E°cell = +0.337 V − (−0.7618 V) = +1.099 V, arna thuairisciú go dtí trí ionad deachúlacha toisc go bhfuil trí cinn ag 0.337.

Ciallaíonn E°cell dearfach go bhfuil an t-imoibriú spontáineach mar atá sé scríofa faoi choinníollacha caighdeánacha. Dá roghnófá na leictreoidí an bealach mícheart, gheofá −1.099 V. Insíonn sé sin duit gurb é an t-imoibriú droim ar ais an ceann spontáineach.

Oibríonn an tástáil chéanna d'aon phéire redox. An ocsaídeoidh Fe³⁺ I⁻ go I₂? Le Fe³⁺/Fe²⁺ ag +0.771 V mar chatóid agus I₂/I⁻ ag +0.5355 V mar anóid, E°cell = +0.236 V, mar sin ocsaídeoidh. An ocsaídeoidh Zn²⁺ miotal copair? E°cell = −0.7618 − 0.337 = −1.099 V, mar sin ní ocsaídeoidh.

Sampla oibrithe: cén fáth nach n-iolraítear E° faoi chomhéifeacht riamh

Smaoinigh ar Ni(s) + 2 Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2 Ag(s). Chun leictreoin a chothromú, caithfear leath-imoibriú an airgid a dhúbailt. Is mealltach a E° a dhúbailt freisin, ach bheadh sé sin mícheart. Is airí dianmhéideach é E°: tomhaiseann sé fuinneamh in aghaidh an aonaid luchta, agus dúblaíonn méid an imoibrithe a dhúbailt an fuinneamh agus an lucht araon.

Mar sin E°cell = +0.7996 V − (−0.257 V) = +1.057 V, gan aon fhachtóir 2. Tagann méid an imoibrithe isteach in áit eile, trí n, líon na mól leictreon a aistrítear, arb ionann é agus 2 anseo.

E°cell a nascadh le ΔG° agus K

Is ionann an obair leictreach uasta is féidir le cill a dhéanamh agus −ΔG, rud a thugann ΔG° = −nFE°cell. Anseo is é F tairiseach Faraday, 96,485 C in aghaidh an mhóil leictreon, agus is ionann volta amháin faoi chúlóim amháin agus giúl amháin. Ciallaíonn E° dearfach mar sin ΔG° diúltach, agus ciallaíonn an dá cheann go bhfuil an t-imoibriú spontáineach faoi choinníollacha caighdeánacha.

Ós rud é go bhfuil ΔG° = −RT ln K, socraíonn poitéinseal na cille an tairiseach cothromaíochta freisin. Ag 25 °C, is é seo log K = nE°cell / 0.0592 V, áit arb é 0.0592 V 2.303RT/F ag 298.15 K slánaithe go trí fhigiúr shuntasacha, mar a úsáideann OpenStax.

Sampla oibrithe. Don imoibriú nicil–airgid thuas, n = 2 agus E°cell = 1.057 V. ΔG° = −2 × 96,485 C/mol × 1.057 V = −2.04 × 10⁵ J, nó −204 kJ in aghaidh an mhóil imoibrithe mar atá sé scríofa. log K = 2 × 1.057 / 0.0592 = 35.7, mar sin tá K thart ar 5 × 10³⁵. Téann an t-imoibriú go hiomlán, go bunúsach. Tabhair K go dtí figiúr suntasach amháin: bogann athrú 0.001 V ar E° log K faoi thart ar 0.03.

Cothromóid Nernst do thiúchain neamhchaighdeánacha

Is annamh a ritheann fíorchealla ag 1 M. Ceartaíonn cothromóid Nernst an poitéinseal: E = E° − (0.0592 V / n) log Q ag 25 °C, áit arb é Q an comhrann imoibrithe. Fágtar solaid as Q, díreach mar a fhágtar as K iad.

Sampla oibrithe. Tá [Zn²⁺] = 1.00 M agus [Cu²⁺] = 1.0 × 10⁻³ M ag cill sinc–copair. Do Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu, Q = [Zn²⁺]/[Cu²⁺] = 1.0 × 10³ agus n = 2. E = 1.099 − (0.0592/2) × 3.00 = 1.099 − 0.089 = 1.010 V. Má bhíonn ganntanas Cu²⁺ ag an gcatóid, íslítear an voltas, mar a thuarann prionsabal Le Chatelier.

Tá an leath-imoibriú céanna ar an dá thaobh de chill tiúchana, mar sin E° = 0, agus ní ritheann sí ach toisc go bhfuil difríocht idir na tiúchain. Do leictreoidí copair in Cu²⁺ 0.0010 M agus 1.0 M, E = −(0.0592/2) log(0.0010/1.0) = +0.089 V. Is é an taobh caol an anóid, toisc go ndéanann ocsaídiú ansin níos mó Cu²⁺ agus go gcothromaíonn sé an difríocht. Nuair a shroicheann E nialas, tá Q cothrom le K agus tá an chill ídithe.

Leictrealú agus dlí Faraday

Úsáideann cill leictrealaíoch soláthar cumhachta seachtrach chun imoibriú neamhspontáineach a thiomáint, ar nós miotal a phlátáil nó uisce a scoilteadh. Is ag an anóid a tharlaíonn ocsaídiú fós, ach is í an leictreoid dheimhneach anois í. Ní bhraitheann méid an táirge ach ar an lucht a théann tríd: lucht Q = sruth I × am t, agus móil leictreon = Q / F.

Sampla oibrithe. Sreabhann sruth 2.50 A ar feadh 30.0 nóiméad trí thuaslagán CuSO₄. Q = 2.50 A × 1800 s = 4500 C. Móil leictreon = 4500 / 96,485 = 0.0466 mol. Teastaíonn 2 leictreon ó gach Cu²⁺, mar sin taisctear 0.0233 mol Cu, arb ionann é ag 63.55 g/mol agus 1.48 g.

Rith an ríomh droim ar ais chun an t-am a fháil. Chun 1.00 g d'airgead a phlátáil (Ag⁺ + e⁻ → Ag), teastaíonn 1.00 / 107.87 = 0.00927 mol leictreon, arb ionann é agus 894 C. Ag 0.500 A tógann sé sin 1789 s, thart ar 29.8 nóiméad.

Earráidí comhartha agus cuntasaíochta i bhfadhbanna cille

Is earráidí comhartha iad formhór na mbotún sa leictriceimic. Scríobh gach leath-imoibriú, lipéadaigh é mar ocsaídiú nó laghdú, agus ansin amháin déan an uimhríocht.

• Comhartha phoitéinseal na hanóide a aisiompú agus é a dhealú freisin ansin, rud a chomhaireann an t-aisiompú faoi dhó.
• E° a iolrú faoin gcomhéifeacht a úsáideadh chun leictreoin a chothromú.
• Mearbhall faoi cén leictreoid atá deimhneach. Tá an chatóid deimhneach i gcill ghalvánach, ach tá an anóid deimhneach i gcill leictrealaíoch.
• An n mícheart a úsáid in ΔG° = −nFE° nó i gcothromóid Nernst. Is é n líon na mól leictreon a aistrítear san imoibriú iomlán cothromaithe.
• ΔG° a fhágáil i ngiúil nuair a theastaíonn an freagra i gcileagiúil, nó a mhalairt.
• Q a scríobh bunoscionn i gcothromóid Nernst. Téann táirgí ar barr, mar a théann in aon chomhrann imoibrithe.
• Nóiméid a úsáid in ionad soicindí in Q = It.