လျှပ်စစ်ဓာတုဗေဒ- ဆဲလ်ပိုတင်ရှယ်များ၊ လွတ်လပ်စွမ်းအင်နှင့် နန်းစ်ညီမျှခြင်း

ဂယ်ဗာနစ်ဆဲလ်အတွင်း- အန်နုဒ်၊ ကက်သုဒ်နှင့် ဆားတံတား

ဂယ်ဗာနစ် (ဗိုလ်တာ) ဆဲလ်သည် သူ့ဘာသာ ဖြစ်ပေါ်သော ရီဒေါ့ခ်စ်ဓာတ်ပြုမှုကို လျှပ်စစ်အလုပ်အဖြစ် ပြောင်းလဲသည်။ ဂန္ထဝင် ဇင့်–ကြေးနီ ဆဲလ်တွင် ဇင့်ပြားတစ်ချပ်သည် Zn²⁺ ပျော်ရည်ထဲတွင် ရှိပြီး ကြေးနီပြားတစ်ချပ်သည် Cu²⁺ ပျော်ရည်ထဲတွင် ရှိသည်။ ဇင့်သည် ဓာတ်တိုးခံရပြီး Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ ဖြစ်ကာ အီလက်ထရွန်များသည် ဝါယာကြိုးမှတစ်ဆင့် ကြေးနီပြားသို့ သွားပြီး ထိုနေရာတွင် Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu ဖြစ်သည်။

ဓာတ်တိုးခြင်းသည် အန်နုဒ်တွင် အမြဲ ဖြစ်ပေါ်ပြီး ဓာတ်လျော့ခြင်းသည် ကက်သုဒ်တွင် ဖြစ်ပေါ်သည်။ ဂယ်ဗာနစ်ဆဲလ်တွင် အန်နုဒ်သည် ဝါယာကြိုးထဲသို့ အီလက်ထရွန်များ ထုတ်ပေးသောကြောင့် အနုတ်လျှပ်ကူးချောင်း ဖြစ်သည်။ KNO₃ ပျော်ရည်ဖြင့် မကြာခဏ ဖြည့်ထားသော ဆားတံတားသည် ဘီကာ နှစ်လုံးအကြား အိုင်ယွန်များကို ရွေ့လျားခွင့်ပြုသောကြောင့် မည်သည့်ဘက်တွင်မျှ အသားတင်အားသွင်း မစုပုံပါ။ ၎င်းမရှိလျှင် လျှပ်စီးကြောင်းသည် ချက်ချင်းနီးပါး ရပ်သွားသည်။

ဆဲလ်သင်္ကေတသည် အန်နုဒ်ကို ဘယ်ဘက်တွင်နှင့် ကက်သုဒ်ကို ညာဘက်တွင် ဖော်ပြသည်- Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s)။ မျဉ်းတစ်ကြောင်းသည် အခြေအနေ နယ်နိမိတ်ကို ပြပြီး မျဉ်းနှစ်ကြောင်းသည် ဆားတံတားကို ပြသည်။ တစ်ဝက်ဓာတ်ပြုမှုတစ်ခုတွင် အစိုင်အခဲ သတ္တု မရှိလျှင် ပလက်တီနမ်ကဲ့သို့ ဓာတ်မပြုသော လျှပ်ကူးချောင်းကို အပြင်ဘက်အစွန်တွင် ရေးသည်။

စံဓာတ်လျော့ပိုတင်ရှယ် ဇယားကို ဖတ်ခြင်း

တစ်ဝက်ဓာတ်ပြုမှုတစ်ခုစီသည် အတိအကျ 0 V သတ်မှတ်ထားသော စံဟိုက်ဒရိုဂျင် လျှပ်ကူးချောင်းနှင့် နှိုင်းယှဉ်တိုင်းတာထားသော စံဓာတ်လျော့ပိုတင်ရှယ် E° ကို ရရှိသည်။ စံအခြေအနေများမှာ ပျော်ဝင်နေသော အမျိုးအစားများအတွက် 1 M၊ ဓာတ်ငွေ့များအတွက် 1 bar နှင့် ဇယားအများစုတွင် 25 °C ဖြစ်သည်။ ထည့်သွင်းချက်တိုင်းကို ဓာတ်လျော့ခြင်းအဖြစ် ရေးထားသည်။

E° ပိုအပေါင်းဖြစ်လေ ဓာတ်တိုးပုံစံက အီလက်ထရွန်များကို ပိုအားကောင်းစွာ ဆွဲယူလေ ဖြစ်သည်။ +2.866 V ရှိ F₂ သည် နောက်ဆက်တွဲ L ရှိ အပြင်းထန်ဆုံး အဖြစ်များသော ဓာတ်တိုးစေသော အေးဂျင့် ဖြစ်သည်။ −3.04 V ရှိ Li⁺ သည် ဓာတ်လျော့ရန် အခက်ဆုံး အိုင်ယွန် ဖြစ်သောကြောင့် လီသီယမ်သတ္တုသည် အလွန်ပြင်းထန်သော ဓာတ်လျော့စေသော အေးဂျင့် ဖြစ်သည်။ အောက်တွင် အသုံးပြုသော နောက်ဆက်တွဲ L မှ တန်ဖိုးများ- Ag⁺/Ag +0.7996 V, Cu²⁺/Cu +0.337 V, Ni²⁺/Ni −0.257 V နှင့် Zn²⁺/Zn −0.7618 V။

နမူနာတွက်ချက်မှု- ဇင့်–ကြေးနီ ဆဲလ်အတွက် E°cell

E°cell = E°cathode − E°anode ကို အသုံးပြုပြီး တန်ဖိုး နှစ်ခုလုံးကို ဓာတ်လျော့ဇယားတွင် ရေးထားသည့်အတိုင်း ယူပါ။ ကြေးနီတွင် E° ပိုအပေါင်း ရှိသောကြောင့် ၎င်းသည် ဓာတ်လျော့ခံရပြီး ကက်သုဒ် ဖြစ်သည်။ E°cell = +0.337 V − (−0.7618 V) = +1.099 V ဖြစ်ပြီး 0.337 တွင် ဒသမ သုံးနေရာ ရှိသောကြောင့် ဒသမ သုံးနေရာအထိ ဖော်ပြသည်။

အပေါင်း E°cell သည် စံအခြေအနေများအောက်တွင် ရေးထားသည့်အတိုင်း ဓာတ်ပြုမှု သူ့ဘာသာ ဖြစ်ပေါ်သည်ဟု ဆိုလိုသည်။ လျှပ်ကူးချောင်းများကို ပြောင်းပြန် ရွေးခဲ့လျှင် −1.099 V ရမည်။ ၎င်းက ပြောင်းပြန်ဓာတ်ပြုမှုသည် သူ့ဘာသာ ဖြစ်ပေါ်သော ဓာတ်ပြုမှု ဖြစ်ကြောင်း ပြောပြသည်။

တူညီသော စစ်ဆေးမှုသည် မည်သည့် ရီဒေါ့ခ်စ်အတွဲအတွက်မဆို အလုပ်ဖြစ်သည်။ Fe³⁺ သည် I⁻ ကို I₂ အဖြစ် ဓာတ်တိုးစေမည်လား။ +0.771 V ရှိ Fe³⁺/Fe²⁺ ကို ကက်သုဒ်အဖြစ်နှင့် +0.5355 V ရှိ I₂/I⁻ ကို အန်နုဒ်အဖြစ် ထားလျှင် E°cell = +0.236 V ဖြစ်သောကြောင့် ဟုတ်သည်။ Zn²⁺ သည် ကြေးနီသတ္တုကို ဓာတ်တိုးစေမည်လား။ E°cell = −0.7618 − 0.337 = −1.099 V ဖြစ်သောကြောင့် မဟုတ်ပါ။

နမူနာတွက်ချက်မှု- E° ကို ကိန်းဖြင့် ဘယ်တော့မှ မမြှောက်ရသည့် အကြောင်းရင်း

Ni(s) + 2 Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2 Ag(s) ကို စဉ်းစားပါ။ အီလက်ထရွန်များကို ချိန်ညှိရန် ငွေ တစ်ဝက်ဓာတ်ပြုမှုကို နှစ်ဆ လုပ်ရမည်။ ၎င်း၏ E° ကိုပါ နှစ်ဆ လုပ်ချင်စိတ် ပေါ်နိုင်သော်လည်း ၎င်းသည် မှားမည် ဖြစ်သည်။ E° သည် အတွင်းသဘော ဂုဏ်သတ္တိ ဖြစ်သည်- ၎င်းသည် အားသွင်း တစ်ယူနစ်လျှင် စွမ်းအင်ကို တိုင်းတာပြီး ဓာတ်ပြုမှု ပမာဏကို နှစ်ဆ လုပ်ခြင်းက စွမ်းအင်နှင့် အားသွင်း နှစ်ခုလုံးကို နှစ်ဆ ဖြစ်စေသည်။

ထို့ကြောင့် E°cell = +0.7996 V − (−0.257 V) = +1.057 V ဖြစ်ပြီး 2 ဆကိန်း မပါပါ။ ဓာတ်ပြုမှု ပမာဏသည် အခြားနေရာမှ ဝင်ရောက်သည်- လွှဲပြောင်းသော အီလက်ထရွန် မိုလ်အရေအတွက် n မှတစ်ဆင့် ဖြစ်ပြီး ဤနေရာတွင် ၎င်းသည် 2 ဖြစ်သည်။

E°cell ကို ΔG° နှင့် K သို့ ချိတ်ဆက်ခြင်း

ဆဲလ်တစ်ခု လုပ်ဆောင်နိုင်သော အမြင့်ဆုံး လျှပ်စစ်အလုပ်သည် −ΔG နှင့် ညီမျှပြီး ၎င်းက ΔG° = −nFE°cell ကို ပေးသည်။ ဤနေရာတွင် F သည် ဖာရာဒေးကိန်းသေ ဖြစ်ပြီး အီလက်ထရွန် တစ်မိုလ်လျှင် 96,485 C ဖြစ်ကာ တစ်ဗို့ မြှောက် တစ်ကူလုံသည် တစ်ဂျူး ဖြစ်သည်။ ထို့ကြောင့် အပေါင်း E° သည် အနုတ် ΔG° ကို ဆိုလိုပြီး နှစ်ခုလုံးက စံအခြေအနေများအောက်တွင် ဓာတ်ပြုမှု သူ့ဘာသာ ဖြစ်ပေါ်သည်ဟု ဆိုလိုသည်။

ΔG° = −RT ln K ဖြစ်သောကြောင့် ဆဲလ်ပိုတင်ရှယ်သည် မျှခြေကိန်းသေကိုလည်း သတ်မှတ်သည်။ 25 °C တွင် ၎င်းသည် log K = nE°cell / 0.0592 V ဖြစ်လာပြီး 0.0592 V သည် OpenStax အသုံးပြုသည့်အတိုင်း 298.15 K ရှိ 2.303RT/F ကို အရေးပါသော ဂဏန်း သုံးလုံးအထိ အနီးစပ်ဆုံးယူထားခြင်း ဖြစ်သည်။

နမူနာတွက်ချက်မှု။ အထက်ပါ နီကယ်–ငွေ ဓာတ်ပြုမှုအတွက် n = 2 နှင့် E°cell = 1.057 V ဖြစ်သည်။ ΔG° = −2 × 96,485 C/mol × 1.057 V = −2.04 × 10⁵ J သို့မဟုတ် ရေးထားသည့်အတိုင်း ဓာတ်ပြုမှု တစ်မိုလ်လျှင် −204 kJ ဖြစ်သည်။ log K = 2 × 1.057 / 0.0592 = 35.7 ဖြစ်သောကြောင့် K သည် 5 × 10³⁵ ခန့် ဖြစ်သည်။ ဓာတ်ပြုမှုသည် အပြီးအစီးနီးပါး ဖြစ်သည်။ K ကို အရေးပါသော ဂဏန်း တစ်လုံးအထိ သဘောထားပါ- E° ရှိ 0.001 V ပြောင်းလဲမှုက log K ကို 0.03 ခန့် ရွှေ့သည်။

စံမဟုတ်သော ပြင်းအားများအတွက် နန်းစ်ညီမျှခြင်း

လက်တွေ့ဆဲလ်များသည် 1 M တွင် ရှားရှားပါးပါးသာ လည်ပတ်သည်။ နန်းစ်ညီမျှခြင်းက ပိုတင်ရှယ်ကို ပြင်ဆင်ပေးသည်- 25 °C တွင် E = E° − (0.0592 V / n) log Q ဖြစ်ပြီး Q သည် ဓာတ်ပြုမှုလဒ် ဖြစ်သည်။ အစိုင်အခဲများကို K မှ ချန်ထားသကဲ့သို့ Q မှလည်း ချန်ထားသည်။

နမူနာတွက်ချက်မှု။ ဇင့်–ကြေးနီ ဆဲလ်တစ်ခုတွင် [Zn²⁺] = 1.00 M နှင့် [Cu²⁺] = 1.0 × 10⁻³ M ရှိသည်။ Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu အတွက် Q = [Zn²⁺]/[Cu²⁺] = 1.0 × 10³ နှင့် n = 2 ဖြစ်သည်။ E = 1.099 − (0.0592/2) × 3.00 = 1.099 − 0.089 = 1.010 V ဖြစ်သည်။ ကက်သုဒ်ကို Cu²⁺ ငတ်မွတ်စေခြင်းက လီရှာတယ်လီယာ၏ မူ ခန့်မှန်းသည့်အတိုင်း ဗို့အားကို လျော့ချသည်။

ပြင်းအားဆဲလ်တွင် ဘက်နှစ်ဖက်စလုံး၌ တူညီသော တစ်ဝက်ဓာတ်ပြုမှု ရှိသောကြောင့် E° = 0 ဖြစ်ပြီး ပြင်းအားများ ကွာခြားသောကြောင့်သာ လည်ပတ်သည်။ 0.0010 M နှင့် 1.0 M Cu²⁺ ရှိ ကြေးနီလျှပ်ကူးချောင်းများအတွက် E = −(0.0592/2) log(0.0010/1.0) = +0.089 V ဖြစ်သည်။ ထိုနေရာရှိ ဓာတ်တိုးခြင်းက Cu²⁺ ပိုများများ ဖြစ်စေပြီး ကွာခြားချက်ကို ညီညာစေသောကြောင့် ပျော့ပျောင်းသောဘက်သည် အန်နုဒ် ဖြစ်သည်။ E သည် သုညသို့ ရောက်သည့်အခါ Q သည် K နှင့် ညီမျှပြီး ဆဲလ်သည် ကုန်ခန်းသွားသည်။

လျှပ်စစ်ဓာတ်ခွဲခြင်းနှင့် ဖာရာဒေး၏ ဥပဒေ

လျှပ်စစ်ဓာတ်ခွဲဆဲလ်သည် သတ္တုကို ကြေးချခြင်း သို့မဟုတ် ရေကို ခွဲခြင်းကဲ့သို့ သူ့ဘာသာ မဖြစ်ပေါ်သော ဓာတ်ပြုမှုကို မောင်းနှင်ရန် ပြင်ပ ပါဝါထောက်ပံ့မှုကို အသုံးပြုသည်။ အန်နုဒ်သည် ဓာတ်တိုးခြင်း ဖြစ်ပေါ်ရာ နေရာ ဖြစ်ဆဲဖြစ်သော်လည်း ယခု ၎င်းသည် အပေါင်းလျှပ်ကူးချောင်း ဖြစ်သည်။ ထုတ်ကုန် ပမာဏသည် ဖြတ်သန်းသွားသော အားသွင်းပေါ်တွင်သာ မူတည်သည်- အားသွင်း Q = လျှပ်စီးကြောင်း I × အချိန် t ဖြစ်ပြီး အီလက်ထရွန် မိုလ် = Q / F ဖြစ်သည်။

နမူနာတွက်ချက်မှု။ 2.50 A လျှပ်စီးကြောင်းသည် CuSO₄ ပျော်ရည်မှတစ်ဆင့် 30.0 min စီးဆင်းသည်။ Q = 2.50 A × 1800 s = 4500 C ဖြစ်သည်။ အီလက်ထရွန် မိုလ် = 4500 / 96,485 = 0.0466 mol ဖြစ်သည်။ Cu²⁺ တစ်ခုစီသည် အီလက်ထရွန် 2 ခု လိုအပ်သောကြောင့် Cu 0.0233 mol အနည်ကျပြီး 63.55 g/mol ဖြင့် ၎င်းသည် 1.48 g ဖြစ်သည်။

အချိန်ကို ရှာရန် တွက်ချက်မှုကို နောက်ပြန် လုပ်ပါ။ ငွေ 1.00 g ကို ကြေးချခြင်း (Ag⁺ + e⁻ → Ag) သည် အီလက်ထရွန် 1.00 / 107.87 = 0.00927 mol လိုအပ်ပြီး ၎င်းသည် 894 C ဖြစ်သည်။ 0.500 A တွင် ၎င်းသည် 1789 s ကြာပြီး 29.8 မိနစ်ခန့် ဖြစ်သည်။

ဆဲလ်ပုစ္ဆာများတွင် သင်္ကေတနှင့် စာရင်းကိုင် အမှားများ

လျှပ်စစ်ဓာတုဗေဒတွင် အမှားအများစုသည် သင်္ကေတ အမှားများ ဖြစ်သည်။ တစ်ဝက်ဓာတ်ပြုမှုတစ်ခုစီကို ရေးပါ၊ ၎င်းကို ဓာတ်တိုးခြင်း သို့မဟုတ် ဓာတ်လျော့ခြင်းဟု အမှတ်အသားပြုပါ၊ ထို့နောက်မှသာ ဂဏန်းတွက်ချက်မှုကို လုပ်ပါ။

• အန်နုဒ်ပိုတင်ရှယ်၏ သင်္ကေတကို ပြောင်းပြီးနောက် ၎င်းကိုပါ ထပ်မံ နုတ်ခြင်း၊ ၎င်းက ပြောင်းပြန်လှန်မှုကို နှစ်ကြိမ် ရေတွက်သည်။
• E° ကို အီလက်ထရွန်များ ချိန်ညှိရန် အသုံးပြုသော ကိန်းဖြင့် မြှောက်ခြင်း။
• မည်သည့် လျှပ်ကူးချောင်းသည် အပေါင်း ဖြစ်သည်ကို ရောထွေးခြင်း။ ဂယ်ဗာနစ်ဆဲလ်တွင် ကက်သုဒ်သည် အပေါင်း ဖြစ်သော်လည်း လျှပ်စစ်ဓာတ်ခွဲဆဲလ်တွင် အန်နုဒ်သည် အပေါင်း ဖြစ်သည်။
• ΔG° = −nFE° တွင် သို့မဟုတ် နန်းစ်ညီမျှခြင်းတွင် n မှားကို အသုံးပြုခြင်း။ n သည် ချိန်ညှိထားသော စုစုပေါင်း ဓာတ်ပြုမှုတွင် လွှဲပြောင်းသော အီလက်ထရွန် မိုလ် ဖြစ်သည်။
• အဖြေကို ကီလိုဂျူးဖြင့် လိုချင်သည့်အခါ ΔG° ကို ဂျူးဖြင့် ထားခြင်း သို့မဟုတ် ပြောင်းပြန်။
• နန်းစ်ညီမျှခြင်းတွင် Q ကို ပြောင်းပြန် ရေးခြင်း။ မည်သည့် ဓာတ်ပြုမှုလဒ်တွင်မဆိုကဲ့သို့ ထုတ်ကုန်များသည် အပေါ်တွင် ရှိသည်။
• Q = It တွင် စက္ကန့်အစား မိနစ်ကို အသုံးပြုခြင်း။