විද්‍යුත් රසායනය: කෝෂ විභව, නිදහස් ශක්තිය සහ නර්න්ස්ට් සමීකරණය

ගැල්වානික කෝෂයක් ඇතුළත: ඇනෝඩය, කැතෝඩය සහ ලවණ සේතුව

ගැල්වානික (වෝල්ටීය) කෝෂයක් ස්වයංසිද්ධ ඔක්සිකරණ-ඔක්සිහරණ ප්‍රතික්‍රියාවක් විද්‍යුත් කාර්යය බවට හරවයි. සම්භාව්‍ය සින්ක්–තඹ කෝෂයේ, සින්ක් තීරුවක් Zn²⁺ ද්‍රාවණයක ද තඹ තීරුවක් Cu²⁺ ද්‍රාවණයක ද පිහිටයි. සින්ක් ඔක්සිකරණය වේ, Zn → Zn²⁺ + 2e⁻, සහ ඉලෙක්ට්‍රෝන කම්බිය හරහා තඹ තීරුව වෙත ගමන් කරන අතර, එහිදී Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu.

ඔක්සිකරණය සැමවිටම ඇනෝඩයේද ඔක්සිහරණය කැතෝඩයේද සිදු වේ. ගැල්වානික කෝෂයක ඇනෝඩය කම්බියට ඉලෙක්ට්‍රෝන මුදා හරින බැවින් එය සෘණ ඉලෙක්ට්‍රෝඩය වේ. බොහෝ විට KNO₃ ද්‍රාවණයෙන් පුරවා ඇති ලවණ සේතුවක් බීකර දෙක අතර අයන චලනය වීමට ඉඩ සලසන බැවින් කිසිවකට ශුද්ධ ආරෝපණයක් එකතු නොවේ. එය නොමැතිව, ධාරාව වහාම පාහේ නතර වේ.

කෝෂ අංකනය ඇනෝඩය වම් පසද කැතෝඩය දකුණු පසද ලැයිස්තුගත කරයි: Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s). තනි ඉරක් කලාප මායිමක් සලකුණු කරන අතර ද්විත්ව ඉර ලවණ සේතුව සලකුණු කරයි. අර්ධ-ප්‍රතික්‍රියාවකට ඝන ලෝහයක් නොමැති නම්, ප්ලැටිනම් වැනි නිෂ්ක්‍රිය ඉලෙක්ට්‍රෝඩයක් පිටත කෙළවරේ ලියනු ලැබේ.

සම්මත ඔක්සිහරණ විභව වගුවක් කියවීම

සෑම අර්ධ-ප්‍රතික්‍රියාවකටම සම්මත ඔක්සිහරණ විභවයක්, E°, ලැබේ, එය හරියටම 0 V ලෙස පවරා ඇති සම්මත හයිඩ්‍රජන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩයට එරෙහිව මනිනු ලැබේ. සම්මත තත්ත්ව යනු දිය වූ විශේෂ සඳහා 1 M, වායු සඳහා 1 bar සහ, බොහෝ වගු වල, 25 °C වේ. සෑම ඇතුළත් කිරීමක්ම ඔක්සිහරණයක් ලෙස ලියා ඇත.

E° කෙතරම් ධනද, ඔක්සිකෘත ආකාරය ඉලෙක්ට්‍රෝන එතරම් ප්‍රබල ලෙස ඇද ගනී. +2.866 V හි F₂ ඇමුණුම L හි ප්‍රබලතම පොදු ඔක්සිකාරකයයි. −3.04 V හි Li⁺ ඔක්සිහරණය කිරීමට අපහසුම අයනය වන බැවින්, ලිතියම් ලෝහය ඉතා ප්‍රබල ඔක්සිහාරකයකි. පහත භාවිත කරන ඇමුණුම L අගයන්: Ag⁺/Ag +0.7996 V, Cu²⁺/Cu +0.337 V, Ni²⁺/Ni −0.257 V සහ Zn²⁺/Zn −0.7618 V.

විසඳූ උදාහරණය: සින්ක්–තඹ කෝෂය සඳහා E°cell

ඔක්සිහරණ වගුවේ ලියා ඇති පරිදිම ගත් අගයන් දෙකම සමඟ E°cell = E°cathode − E°anode භාවිත කරන්න. තඹ වලට වඩා ධන E° ඇති බැවින්, එය ඔක්සිහරණය වන අතර කැතෝඩය වේ. E°cell = +0.337 V − (−0.7618 V) = +1.099 V, 0.337 ට තුනක් ඇති බැවින් දශමස්ථාන තුනකට වාර්තා කර ඇත.

ධන E°cell එකක් යනු සම්මත තත්ත්ව යටතේ ලියා ඇති පරිදි ප්‍රතික්‍රියාව ස්වයංසිද්ධ වන බවයි. ඔබ ඉලෙක්ට්‍රෝඩ වැරදි ආකාරයට තෝරා ගත්තේ නම්, ඔබට −1.099 V ලැබෙනු ඇත. එයින් ඔබට කියන්නේ ප්‍රතිලෝම ප්‍රතික්‍රියාව ස්වයංසිද්ධ එක බවයි.

එම පරීක්ෂාවම ඕනෑම ඔක්සිකරණ-ඔක්සිහරණ යුගලයක් සඳහා ක්‍රියා කරයි. Fe³⁺, I⁻ ඔක්සිකරණය කර I₂ බවට පත් කරයිද? කැතෝඩය ලෙස +0.771 V හි Fe³⁺/Fe²⁺ සහ ඇනෝඩය ලෙස +0.5355 V හි I₂/I⁻ සමඟ, E°cell = +0.236 V, එබැවින් ඔව්. Zn²⁺ තඹ ලෝහය ඔක්සිකරණය කරයිද? E°cell = −0.7618 − 0.337 = −1.099 V, එබැවින් නැත.

විසඳූ උදාහරණය: E° කිසි විටෙක සංගුණකයකින් ගුණ නොකරන්නේ ඇයි

Ni(s) + 2 Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2 Ag(s) සලකන්න. ඉලෙක්ට්‍රෝන තුලනය කිරීමට, රිදී අර්ධ-ප්‍රතික්‍රියාව දෙගුණ කළ යුතුය. එහි E° ද දෙගුණ කිරීමට පෙළඹවීමක් ඇති වුවද, එය වැරදිය. E° තීව්‍ර ගුණයකි: එය ආරෝපණ ඒකකයකට ශක්තිය මනින අතර, ප්‍රතික්‍රියා ප්‍රමාණය දෙගුණ කිරීම ශක්තිය සහ ආරෝපණය යන දෙකම දෙගුණ කරයි.

එබැවින් E°cell = +0.7996 V − (−0.257 V) = +1.057 V, 2 සාධකයකින් තොරව. ප්‍රතික්‍රියා ප්‍රමාණය වෙනත් තැනකට ඇතුළු වන්නේ n හරහාය, එනම් මාරු වන ඉලෙක්ට්‍රෝන මවුල ගණන හරහා වන අතර, එය මෙහි 2 වේ.

E°cell, ΔG° සහ K වලට සම්බන්ධ කිරීම

කෝෂයකට කළ හැකි උපරිම විද්‍යුත් කාර්යය −ΔG ට සමාන වන අතර, එයින් ΔG° = −nFE°cell ලැබේ. මෙහි F යනු ෆැරඩේ නියතය, ඉලෙක්ට්‍රෝන මවුලයකට 96,485 C, සහ එක් වෝල්ට් එකක් එක් කූලෝමයකින් ගුණ කළ විට එක් ජූලයකි. එබැවින් ධන E° යනු සෘණ ΔG° වන අතර, දෙකම අදහස් කරන්නේ සම්මත තත්ත්ව යටතේ ප්‍රතික්‍රියාව ස්වයංසිද්ධ බවයි.

ΔG° = −RT ln K බැවින්, කෝෂ විභවය සමතුලිතතා නියතයද නිර්ණය කරයි. 25 °C හිදී මෙය log K = nE°cell / 0.0592 V බවට පත් වේ, මෙහි 0.0592 V යනු OpenStax භාවිත කරන පරිදි, සැලකිය යුතු ඉලක්කම් තුනකට වටයූ 298.15 K හි 2.303RT/F වේ.

විසඳූ උදාහරණය. ඉහත නිකල්–රිදී ප්‍රතික්‍රියාව සඳහා, n = 2 සහ E°cell = 1.057 V. ΔG° = −2 × 96,485 C/mol × 1.057 V = −2.04 × 10⁵ J, හෙවත් ලියා ඇති පරිදි ප්‍රතික්‍රියා මවුලයකට −204 kJ. log K = 2 × 1.057 / 0.0592 = 35.7, එබැවින් K ආසන්න වශයෙන් 5 × 10³⁵ වේ. ප්‍රතික්‍රියාව ප්‍රායෝගිකව සම්පූර්ණ වේ. K සැලකිය යුතු ඉලක්කම් එකකට සලකන්න: E° හි 0.001 V වෙනසක් log K ආසන්න වශයෙන් 0.03 කින් චලනය කරයි.

සම්මත නොවන සාන්ද්‍රණ සඳහා නර්න්ස්ට් සමීකරණය

සැබෑ කෝෂ කලාතුරකින් 1 M හිදී ක්‍රියා කරයි. නර්න්ස්ට් සමීකරණය විභවය නිවැරදි කරයි: 25 °C හිදී E = E° − (0.0592 V / n) log Q, මෙහි Q යනු ප්‍රතික්‍රියා ලබ්ධියයි. K වලින් මෙන්ම Q වලින්ද ඝන අත්හරිනු ලැබේ.

විසඳූ උදාහරණය. සින්ක්–තඹ කෝෂයක [Zn²⁺] = 1.00 M සහ [Cu²⁺] = 1.0 × 10⁻³ M වේ. Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu සඳහා, Q = [Zn²⁺]/[Cu²⁺] = 1.0 × 10³ සහ n = 2. E = 1.099 − (0.0592/2) × 3.00 = 1.099 − 0.089 = 1.010 V. ලෙ ෂැටලියේ මූලධර්මය පුරෝකථනය කරන පරිදි, කැතෝඩයට Cu²⁺ නොලැබී යාම වෝල්ටීයතාව අඩු කරයි.

සාන්ද්‍රණ කෝෂයකට දෙපැත්තේම එකම අර්ධ-ප්‍රතික්‍රියාව ඇති බැවින්, E° = 0, සහ එය ක්‍රියා කරන්නේ සාන්ද්‍රණ වෙනස් වන බැවින් පමණි. 0.0010 M සහ 1.0 M Cu²⁺ හි තඹ ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සඳහා, E = −(0.0592/2) log(0.0010/1.0) = +0.089 V. තනුක පැත්ත ඇනෝඩය වන්නේ, එහි ඔක්සිකරණය තවත් Cu²⁺ සාදා වෙනස සමතුලිත කරන බැවිනි. E ශුන්‍යයට ළඟා වූ විට, Q, K ට සමාන වන අතර කෝෂය ක්‍රියා විරහිත වේ.

විද්‍යුත් විච්ඡේදනය සහ ෆැරඩේ නියමය

විද්‍යුත් විච්ඡේදක කෝෂයක් ලෝහයක් ආලේපනය කිරීම හෝ ජලය වියෝජනය කිරීම වැනි ස්වයංසිද්ධ නොවන ප්‍රතික්‍රියාවක් ධාවනය කිරීමට බාහිර බල සැපයුමක් භාවිත කරයි. ඔක්සිකරණය සිදු වන්නේ තවමත් ඇනෝඩයේ වුවද, එය දැන් ධන ඉලෙක්ට්‍රෝඩය වේ. ඵල ප්‍රමාණය රඳා පවතින්නේ ගලා යන ආරෝපණය මත පමණි: ආරෝපණය Q = ධාරාව I × කාලය t, සහ ඉලෙක්ට්‍රෝන මවුල = Q / F.

විසඳූ උදාහරණය. 2.50 A ධාරාවක් CuSO₄ ද්‍රාවණයක් හරහා 30.0 min ගලා යයි. Q = 2.50 A × 1800 s = 4500 C. ඉලෙක්ට්‍රෝන මවුල = 4500 / 96,485 = 0.0466 mol. සෑම Cu²⁺ එකකටම ඉලෙක්ට්‍රෝන 2ක් අවශ්‍ය බැවින්, Cu 0.0233 mol ක් තැන්පත් වන අතර, එය 63.55 g/mol හිදී 1.48 g වේ.

කාලය සොයා ගැනීමට ගණනය කිරීම පසුපසට කරන්න. රිදී 1.00 g ක් ආලේපනය කිරීමට (Ag⁺ + e⁻ → Ag) ඉලෙක්ට්‍රෝන 1.00 / 107.87 = 0.00927 mol අවශ්‍ය වන අතර, එය 894 C වේ. 0.500 A හිදී එයට 1789 s, ආසන්න වශයෙන් මිනිත්තු 29.8 ක් ගතවේ.

කෝෂ ගැටලු වල ලකුණු සහ ගිණුම්කරණ වැරදි

විද්‍යුත් රසායනයේ බොහෝ වැරදි ලකුණු වැරදි වේ. සෑම අර්ධ-ප්‍රතික්‍රියාවක්ම ලියා, එය ඔක්සිකරණය හෝ ඔක්සිහරණය ලෙස ලේබල් කර, ඉන් පසුව පමණක් අංක ගණිතය කරන්න.

• ඇනෝඩ විභවයේ ලකුණ පෙරළා ඉන්පසු එයද අඩු කිරීම, එය ප්‍රතිලෝම කිරීම දෙවරක් ගණන් කරයි.
• ඉලෙක්ට්‍රෝන තුලනය කිරීමට භාවිත කළ සංගුණකයෙන් E° ගුණ කිරීම.
• ධන ඉලෙක්ට්‍රෝඩය කුමක්දැයි පටලවා ගැනීම. ගැල්වානික කෝෂයක කැතෝඩය ධන වන නමුත්, විද්‍යුත් විච්ඡේදක කෝෂයක ඇනෝඩය ධන වේ.
• ΔG° = −nFE° හි හෝ නර්න්ස්ට් සමීකරණයේ වැරදි n භාවිත කිරීම. n යනු තුලිත සමස්ත ප්‍රතික්‍රියාවේ මාරු වන ඉලෙක්ට්‍රෝන මවුල වේ.
• පිළිතුර කිලෝජූල් වලින් අවශ්‍ය වන විට ΔG° ජූල් වලින් තැබීම, හෝ ප්‍රතිලෝමය.
• නර්න්ස්ට් සමීකරණයේ Q උඩු යටිකුරු කර ලිවීම. ඕනෑම ප්‍රතික්‍රියා ලබ්ධියක මෙන්, ඵල ඉහළින් යයි.
• Q = It හි තත්පර වෙනුවට මිනිත්තු භාවිත කිරීම.