អេឡិចត្រូគីមី៖ ប៉ូតង់ស្យែលពិល ថាមពលសេរី និងសមីការណឺនស្ត

នៅខាងក្នុងពិលហ្គាល់វ៉ានិច៖ អាណូត កាតូត និងស្ពានអំបិល

ពិលហ្គាល់វ៉ានិច (វ៉ុលតាអ៊ិច) បម្លែងប្រតិកម្មរេដុកដោយឯកឯងទៅជាកម្មន្តអគ្គិសនី។ ក្នុងពិលស័ង្កសី–ស្ពាន់បុរាណ បន្ទះស័ង្កសីមួយស្ថិតក្នុងសូលុយស្យុង Zn²⁺ ហើយបន្ទះស្ពាន់មួយស្ថិតក្នុងសូលុយស្យុង Cu²⁺។ ស័ង្កសីត្រូវបានអុកស៊ីតកម្ម Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ ហើយអេឡិចត្រុងធ្វើដំណើរតាមខ្សែទៅកាន់បន្ទះស្ពាន់ ដែលនៅទីនោះ Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu។

អុកស៊ីតកម្មតែងតែកើតឡើងនៅអាណូត ហើយរេដុកម្មនៅកាតូត។ ក្នុងពិលហ្គាល់វ៉ានិច អាណូតជាអេឡិចត្រូតអវិជ្ជមាន ព្រោះវាបញ្ចេញអេឡិចត្រុងទៅក្នុងខ្សែ។ ស្ពានអំបិល ដែលជារឿយៗបំពេញដោយសូលុយស្យុង KNO₃ អនុញ្ញាតឱ្យអ៊ីយ៉ុងផ្លាស់ទីរវាងបេស៊ែរទាំងពីរ ដើម្បីកុំឱ្យបេស៊ែរណាមួយប្រមូលផ្តុំបន្ទុកសុទ្ធ។ បើគ្មានវា ចរន្តឈប់ស្ទើរតែភ្លាមៗ។

ការកត់សម្គាល់ពិលរាយអាណូតនៅខាងឆ្វេង និងកាតូតនៅខាងស្តាំ៖ Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s)។ របារតែមួយសម្គាល់ព្រំដែនដំណាក់កាល ហើយរបារពីរសម្គាល់ស្ពានអំបិល។ ប្រសិនបើពាក់កណ្តាលប្រតិកម្មគ្មានលោហៈរឹង អេឡិចត្រូតអសកម្មដូចជាប្លាទីន ត្រូវបានសរសេរនៅចុងខាងក្រៅ។

ការអានតារាងប៉ូតង់ស្យែលរេដុកម្មស្តង់ដារ

ពាក់កណ្តាលប្រតិកម្មនីមួយៗមានប៉ូតង់ស្យែលរេដុកម្មស្តង់ដារ E° ដែលវាស់ធៀបនឹងអេឡិចត្រូតអ៊ីដ្រូសែនស្តង់ដារ ដែលត្រូវបានកំណត់ឱ្យស្មើ 0 V ពិតប្រាកដ។ លក្ខខណ្ឌស្តង់ដារគឺ 1 M សម្រាប់ប្រភេទរលាយ 1 bar សម្រាប់ឧស្ម័ន ហើយក្នុងតារាងភាគច្រើន 25 °C។ ធាតុនីមួយៗក្នុងតារាងត្រូវបានសរសេរជារេដុកម្ម។

E° កាន់តែវិជ្ជមាន ទម្រង់អុកស៊ីតកម្មកាន់តែទាញអេឡិចត្រុងខ្លាំង។ F₂ នៅ +2.866 V ជាភ្នាក់ងារអុកស៊ីតកម្មទូទៅខ្លាំងបំផុតក្នុងឧបសម្ព័ន្ធ L។ Li⁺ នៅ −3.04 V ជាអ៊ីយ៉ុងដែលពិបាករេដុកម្មបំផុត ដូច្នេះលោហៈលីចូមជាភ្នាក់ងាររេដុកម្មខ្លាំងណាស់។ តម្លៃដែលប្រើខាងក្រោមពីឧបសម្ព័ន្ធ L៖ Ag⁺/Ag +0.7996 V, Cu²⁺/Cu +0.337 V, Ni²⁺/Ni −0.257 V និង Zn²⁺/Zn −0.7618 V។

ឧទាហរណ៍ដោះស្រាយ៖ E°cell សម្រាប់ពិលស័ង្កសី–ស្ពាន់

ប្រើ E°cell = E°cathode − E°anode ដោយយកតម្លៃទាំងពីរដូចដែលបានសរសេរក្នុងតារាងរេដុកម្ម។ ស្ពាន់មាន E° វិជ្ជមានជាង ដូច្នេះវាត្រូវបានរេដុកម្ម ហើយជាកាតូត។ E°cell = +0.337 V − (−0.7618 V) = +1.099 V រាយការណ៍ជាបីខ្ទង់ទសភាគ ព្រោះ 0.337 មានបីខ្ទង់។

E°cell វិជ្ជមានមានន័យថាប្រតិកម្មកើតឡើងដោយឯកឯងតាមដែលបានសរសេរ ក្រោមលក្ខខណ្ឌស្តង់ដារ។ ប្រសិនបើអ្នកបានជ្រើសរើសអេឡិចត្រូតបញ្ច្រាស អ្នកនឹងទទួលបាន −1.099 V។ នោះប្រាប់អ្នកថាប្រតិកម្មបញ្ច្រាសគឺជាប្រតិកម្មដែលកើតឡើងដោយឯកឯង។

ការធ្វើតេស្តដដែលនេះប្រើបានសម្រាប់គូរេដុកណាមួយ។ តើ Fe³⁺ នឹងអុកស៊ីតកម្ម I⁻ ទៅជា I₂ ឬទេ? ដោយ Fe³⁺/Fe²⁺ នៅ +0.771 V ជាកាតូត និង I₂/I⁻ នៅ +0.5355 V ជាអាណូត E°cell = +0.236 V ដូច្នេះបាទ/ចាស។ តើ Zn²⁺ នឹងអុកស៊ីតកម្មលោហៈស្ពាន់ឬទេ? E°cell = −0.7618 − 0.337 = −1.099 V ដូច្នេះទេ។

ឧទាហរណ៍ដោះស្រាយ៖ ហេតុអ្វីបានជា E° មិនដែលត្រូវបានគុណនឹងមេគុណ

ពិចារណា Ni(s) + 2 Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2 Ag(s)។ ដើម្បីធ្វើឱ្យអេឡិចត្រុងមានលំនឹង ពាក់កណ្តាលប្រតិកម្មប្រាក់ត្រូវតែគុណនឹងពីរ។ វាគួរឱ្យចង់គុណ E° របស់វានឹងពីរដែរ ប៉ុន្តែនោះនឹងខុស។ E° ជាលក្ខណៈអាំងតង់ស៊ីវ៖ វាវាស់ថាមពលក្នុងមួយឯកតាបន្ទុក ហើយការគុណបរិមាណប្រតិកម្មនឹងពីរ គុណទាំងថាមពល និងបន្ទុកនឹងពីរ។

ដូច្នេះ E°cell = +0.7996 V − (−0.257 V) = +1.057 V ដោយគ្មានកត្តា 2។ បរិមាណប្រតិកម្មចូលមកនៅកន្លែងផ្សេង តាមរយៈ n ដែលជាចំនួនម៉ូលអេឡិចត្រុងដែលបានផ្ទេរ ដែលនៅទីនេះគឺ 2។

ការភ្ជាប់ E°cell ទៅនឹង ΔG° និង K

កម្មន្តអគ្គិសនីអតិបរមាដែលពិលអាចធ្វើបាន ស្មើនឹង −ΔG ដែលផ្តល់ ΔG° = −nFE°cell។ នៅទីនេះ F ជាថេរហ្វារ៉ាដេ 96,485 C ក្នុងមួយម៉ូលអេឡិចត្រុង ហើយមួយវ៉ុលគុណមួយគូឡុំស្មើមួយហ្ស៊ូល។ ដូច្នេះ E° វិជ្ជមានមានន័យថា ΔG° អវិជ្ជមាន ហើយទាំងពីរមានន័យថាប្រតិកម្មកើតឡើងដោយឯកឯងក្រោមលក្ខខណ្ឌស្តង់ដារ។

ដោយសារ ΔG° = −RT ln K ប៉ូតង់ស្យែលពិលក៏កំណត់ថេរលំនឹងដែរ។ នៅ 25 °C វាក្លាយជា log K = nE°cell / 0.0592 V ដែល 0.0592 V គឺ 2.303RT/F នៅ 298.15 K បង្គត់ជាបីខ្ទង់សំខាន់ ដូចដែល OpenStax ប្រើ។

ឧទាហរណ៍ដោះស្រាយ។ សម្រាប់ប្រតិកម្មនីកែល–ប្រាក់ខាងលើ n = 2 និង E°cell = 1.057 V។ ΔG° = −2 × 96,485 C/mol × 1.057 V = −2.04 × 10⁵ J ឬ −204 kJ ក្នុងមួយម៉ូលប្រតិកម្មតាមដែលបានសរសេរ។ log K = 2 × 1.057 / 0.0592 = 35.7 ដូច្នេះ K ប្រហែល 5 × 10³⁵។ ប្រតិកម្មដំណើរការស្ទើរតែពេញលេញ។ ចាត់ទុក K ត្រឹមមួយខ្ទង់សំខាន់៖ ការផ្លាស់ប្តូរ 0.001 V ក្នុង E° ធ្វើឱ្យ log K ផ្លាស់ទីប្រហែល 0.03។

សមីការណឺនស្តសម្រាប់កំហាប់មិនស្តង់ដារ

ពិលពិតកម្រដំណើរការនៅ 1 M ណាស់។ សមីការណឺនស្តកែតម្រូវប៉ូតង់ស្យែល៖ E = E° − (0.0592 V / n) log Q នៅ 25 °C ដែល Q ជាផលចែកប្រតិកម្ម។ សារធាតុរឹងមិនត្រូវបានដាក់ក្នុង Q ទេ ដូចដែលវាមិនត្រូវបានដាក់ក្នុង K ដែរ។

ឧទាហរណ៍ដោះស្រាយ។ ពិលស័ង្កសី–ស្ពាន់មួយមាន [Zn²⁺] = 1.00 M និង [Cu²⁺] = 1.0 × 10⁻³ M។ សម្រាប់ Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu, Q = [Zn²⁺]/[Cu²⁺] = 1.0 × 10³ និង n = 2។ E = 1.099 − (0.0592/2) × 3.00 = 1.099 − 0.089 = 1.010 V។ ការធ្វើឱ្យកាតូតខ្វះ Cu²⁺ បន្ថយតង់ស្យុង ដូចដែលគោលការណ៍លឺសាតឺលីយេទស្សន៍ទាយ។

ពិលកំហាប់មានពាក់កណ្តាលប្រតិកម្មដូចគ្នានៅសងខាង ដូច្នេះ E° = 0 ហើយវាដំណើរការតែដោយសារកំហាប់ខុសគ្នាប៉ុណ្ណោះ។ សម្រាប់អេឡិចត្រូតស្ពាន់ក្នុង Cu²⁺ 0.0010 M និង 1.0 M, E = −(0.0592/2) log(0.0010/1.0) = +0.089 V។ ផ្នែករំលាយជាអាណូត ព្រោះអុកស៊ីតកម្មនៅទីនោះបង្កើត Cu²⁺ បន្ថែម ហើយធ្វើឱ្យភាពខុសគ្នាស្មើគ្នាវិញ។ នៅពេល E ដល់សូន្យ Q ស្មើនឹង K ហើយពិលអស់ថាមពល។

អេឡិចត្រូលីស និងច្បាប់ហ្វារ៉ាដេ

ពិលអេឡិចត្រូលីតប្រើប្រភពថាមពលខាងក្រៅ ដើម្បីជំរុញប្រតិកម្មមិនដោយឯកឯង ដូចជាការស្រោបលោហៈ ឬការបំបែកទឹក។ អាណូតនៅតែជាកន្លែងដែលអុកស៊ីតកម្មកើតឡើង ប៉ុន្តែឥឡូវវាជាអេឡិចត្រូតវិជ្ជមាន។ បរិមាណផលិតផលអាស្រ័យតែលើបន្ទុកដែលឆ្លងកាត់ប៉ុណ្ណោះ៖ បន្ទុក Q = ចរន្ត I × ពេលវេលា t ហើយចំនួនម៉ូលអេឡិចត្រុង = Q / F។

ឧទាហរណ៍ដោះស្រាយ។ ចរន្ត 2.50 A ហូររយៈពេល 30.0 min ឆ្លងកាត់សូលុយស្យុង CuSO₄។ Q = 2.50 A × 1800 s = 4500 C។ ចំនួនម៉ូលអេឡិចត្រុង = 4500 / 96,485 = 0.0466 mol។ Cu²⁺ នីមួយៗត្រូវការអេឡិចត្រុង 2 ដូច្នេះ Cu 0.0233 mol ត្រូវបានដាក់ស្រទាប់ ដែលនៅ 63.55 g/mol គឺ 1.48 g។

ធ្វើការគណនាថយក្រោយ ដើម្បីរកពេលវេលា។ ការស្រោបប្រាក់ 1.00 g (Ag⁺ + e⁻ → Ag) ត្រូវការអេឡិចត្រុង 1.00 / 107.87 = 0.00927 mol ដែលស្មើនឹង 894 C។ នៅ 0.500 A វាចំណាយពេល 1789 s ប្រហែល 29.8 នាទី។

កំហុសសញ្ញា និងការកត់ត្រាក្នុងបញ្ហាពិល

កំហុសភាគច្រើនក្នុងអេឡិចត្រូគីមីគឺជាកំហុសសញ្ញា។ សរសេរពាក់កណ្តាលប្រតិកម្មនីមួយៗ ដាក់ស្លាកថាវាជាអុកស៊ីតកម្ម ឬរេដុកម្ម ហើយមានតែពេលនោះទេទើបធ្វើនព្វន្ត។

• ប្តូរសញ្ញានៃប៉ូតង់ស្យែលអាណូត ហើយបន្ទាប់មកដកវាទៀត ដែលរាប់ការបញ្ច្រាសពីរដង។
• គុណ E° នឹងមេគុណដែលប្រើដើម្បីធ្វើឱ្យអេឡិចត្រុងមានលំនឹង។
• ច្រឡំថាអេឡិចត្រូតណាវិជ្ជមាន។ កាតូតវិជ្ជមានក្នុងពិលហ្គាល់វ៉ានិច ប៉ុន្តែអាណូតវិជ្ជមានក្នុងពិលអេឡិចត្រូលីត។
• ប្រើ n ខុសក្នុង ΔG° = −nFE° ឬក្នុងសមីការណឺនស្ត។ n ជាចំនួនម៉ូលអេឡិចត្រុងដែលបានផ្ទេរក្នុងប្រតិកម្មសរុបដែលមានលំនឹង។
• ទុក ΔG° ជាហ្ស៊ូល នៅពេលចម្លើយត្រូវការជាគីឡូហ្ស៊ូល ឬផ្ទុយមកវិញ។
• សរសេរ Q បញ្ច្រាសក្នុងសមីការណឺនស្ត។ ផលិតផលនៅខាងលើ ដូចក្នុងផលចែកប្រតិកម្មណាមួយ។
• ប្រើនាទីជំនួសវិនាទីក្នុង Q = It។