Elektarokimistari: awoodaha unugga, tamarta xorta ah iyo isleegga Nernst

Gudaha unug galvanic ah: anode, cathode iyo buundada cusbada

Unug galvanic (voltaic) ah wuxuu falgal redoks ah oo is-dhaliya u beddelaa shaqo koronto. Unugga caadiga ah ee zinc–copper, xariijin zinc ah ayaa ku jirta xal Zn²⁺ ah, xariijin copper ahna waxay ku jirtaa xal Cu²⁺ ah. Zinc waa la oksaydheeyaa, Zn → Zn²⁺ + 2e⁻, elektaroonnaduna waxay siligga u maraan xariijinta copper, halkaas oo Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu.

Oksaydhaynta had iyo jeer waxay ka dhacdaa anode-ka, hoos-u-dhigguna cathode-ka. Unug galvanic ah anode-ku waa electrode-ka taban, sababtoo ah wuxuu elektaroonno u sii daayaa siligga. Buundada cusbada (salt bridge), oo badanaa lagu buuxiyo xal KNO₃ ah, waxay u oggolaataa ayoonnada inay u dhaqaaqaan labada koob dhexdooda si midkoodna uusan u urursan dallacaad saafi ah. La'aanteed, korontadu ku dhawaad isla markiiba way joogsataa.

Qoraalka unuggu wuxuu anode-ka ku taxaa bidixda, cathode-kana midigta: Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s). Hal xariiq waxay calaamadisaa xadka xaaladda, xariiqda labaadna waxay calaamadisaa buundada cusbada. Haddii badh-falgal uusan lahayn bir adag, electrode aan falgalin sida platinum ayaa lagu qoraa cirifka dibadda.

Akhrinta shaxda awoodaha hoos-u-dhigga caadiga ah

Badh-falgal kastaa wuxuu helaa awood hoos-u-dhig oo caadi ah, E°, oo lagu cabbiray electrode-ka hydrogen-ka caadiga ah, kaas oo loo qoondeeyey si sax ah 0 V. Xaaladaha caadiga ahi waa 1 M walxaha la milay, 1 bar gaasaska iyo, shaxaha badankooda, 25 °C. Gal kastaa waxaa loo qoraa hoos-u-dhig.

Marka E° uu sii togan yahay, qaabka la oksaydheeyey ayaa si xoog leh u soo jiita elektaroonnada. F₂ oo ah +2.866 V waa wakiilka oksaydhaynta ee caadiga ah ee ugu xoogga badan Lifaaqa L. Li⁺ oo ah −3.04 V waa ayoonka ugu adag in hoos loo dhigo, sidaa darteed birta lithium waa wakiil hoos-u-dhig oo aad u xooggan. Qiimayaasha hoos lagu isticmaalay ee Lifaaqa L: Ag⁺/Ag +0.7996 V, Cu²⁺/Cu +0.337 V, Ni²⁺/Ni −0.257 V iyo Zn²⁺/Zn −0.7618 V.

Tusaale la xaliyey: E°cell ee unugga zinc–copper

Isticmaal E°cell = E°cathode − E°anode, iyadoo labada qiime loo qaatay sida ay ugu qoran yihiin shaxda hoos-u-dhigga. Copper wuxuu leeyahay E° ka togan, sidaa darteed hoos ayaa loo dhigaa waana cathode-ka. E°cell = +0.337 V − (−0.7618 V) = +1.099 V, oo lagu sheegay saddex meelood oo tobanle ah sababtoo ah 0.337 wuxuu leeyahay saddex.

E°cell togan macnaheedu waa in falgalku is-dhaliyo sida loo qoray xaaladaha caadiga ah. Haddii aad electrode-yada si khaldan u dooratay, waxaad heli lahayd −1.099 V. Taasi waxay kuu sheegaysaa in falgalka gadaal-u-socodku yahay kan is-dhaliya.

Isla tijaabadu waxay u shaqaysaa lammaane redoks kasta. Fe³⁺ ma u oksaydhayn doonaa I⁻ I₂? Iyadoo Fe³⁺/Fe²⁺ oo ah +0.771 V uu yahay cathode-ka, I₂/I⁻ oo ah +0.5355 V-na uu yahay anode-ka, E°cell = +0.236 V, sidaa darteed haa. Zn²⁺ ma oksaydhayn doonaa birta copper? E°cell = −0.7618 − 0.337 = −1.099 V, sidaa darteed maya.

Tusaale la xaliyey: sababta E° aan marnaba loogu dhufan isku-dhufte

Tixgeli Ni(s) + 2 Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2 Ag(s). Si elektaroonnada loo isu-dheellitiro, badh-falgalka silver waa in la laba-laabo. Waa la isku dayi karaa in E°-giisa sidoo kale la laba-laabo, laakiin taasi way khaldan tahay. E° waa astaan gudaha ah (intensive): waxay cabbirtaa tamarta cutub dallacaad kasta, laba-laabidda qadarka falgalkuna waxay laba-laabtaa tamarta iyo dallacaadda labadaba.

Sidaa darteed E°cell = +0.7996 V − (−0.257 V) = +1.057 V, iyadoon arrin 2 ah lahayn. Qadarka falgalku wuxuu meel kale ka soo galaa, iyadoo loo marayo n, tirada moolasha elektaroonnada la wareejiyey, taasoo halkan ah 2.

Isku xidhka E°cell iyo ΔG° iyo K

Shaqada koronto ee ugu badan ee unug qaban karo waxay le'eg tahay −ΔG, taasoo bixisa ΔG° = −nFE°cell. Halkan F waa joogtada Faraday, 96,485 C mool kasta oo elektaroon ah, hal volt oo lagu dhuftay hal coulomb-na waa hal joule. Sidaa darteed E° togan macnaheedu waa ΔG° taban, labaduba waxay macnahoodu yahay in falgalku is-dhaliyo xaaladaha caadiga ah.

Sababtoo ah ΔG° = −RT ln K, awoodda unuggu waxay sidoo kale go'aamisaa joogtada isu-dheellitirka. 25 °C tani waxay noqotaa log K = nE°cell / 0.0592 V, halkaas oo 0.0592 V ay tahay 2.303RT/F 298.15 K oo loo dhoweeyey saddex tiro oo muhiim ah, sida OpenStax isticmaasho.

Tusaale la xaliyey. Falgalka nickel–silver ee kor ku xusan, n = 2 iyo E°cell = 1.057 V. ΔG° = −2 × 96,485 C/mol × 1.057 V = −2.04 × 10⁵ J, ama −204 kJ mool kasta oo falgal ah sida loo qoray. log K = 2 × 1.057 / 0.0592 = 35.7, sidaa darteed K waa qiyaastii 5 × 10³⁵. Falgalku ku dhawaad wuu dhammaystirmaa. K u qaado hal tiro oo muhiim ah: isbeddel 0.001 V ah oo E° ah wuxuu log K u dhaqaajiyaa qiyaastii 0.03.

Isleegga Nernst ee uruurinta aan caadiga ahayn

Unugyada dhabta ahi marar dhif ah ayay ku shaqeeyaan 1 M. Isleegga Nernst ayaa saxa awoodda: E = E° − (0.0592 V / n) log Q 25 °C, halkaas oo Q ay tahay qaybta falgalka. Walxaha adag waa laga saaraa Q, sida looga saaro K.

Tusaale la xaliyey. Unug zinc–copper ah wuxuu leeyahay [Zn²⁺] = 1.00 M iyo [Cu²⁺] = 1.0 × 10⁻³ M. Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu, Q = [Zn²⁺]/[Cu²⁺] = 1.0 × 10³ iyo n = 2. E = 1.099 − (0.0592/2) × 3.00 = 1.099 − 0.089 = 1.010 V. Ka gaajinta cathode-ka Cu²⁺ waxay hoos u dhigtaa danabka, sida mabda'a Le Chatelier saadaaliyo.

Unugga uruurintu (concentration cell) wuxuu labada dhinac ku leeyahay isla badh-falgal, sidaa darteed E° = 0, wuxuuna u shaqeeyaa oo keliya sababtoo ah uruurintu way kala duwan yihiin. Electrode-yada copper ee ku jira 0.0010 M iyo 1.0 M Cu²⁺, E = −(0.0592/2) log(0.0010/1.0) = +0.089 V. Dhinaca khafiifka ahi waa anode-ka, sababtoo ah oksaydhaynta halkaas waxay samaysaa Cu²⁺ dheeraad ah waxayna simaysaa farqiga. Marka E uu gaaro eber, Q wuxuu le'ekaadaa K unugguna wuu dhintaa.

Electrolysis iyo sharciga Faraday

Unug electrolytic ah wuxuu isticmaalaa ilo koronto oo dibadeed si uu u wado falgal aan is-dhalin, sida dahaadhidda (plating) bir ama kala-jebinta biyaha. Anode-ku weli waa halka oksaydhayntu ka dhacdo, laakiin hadda waa electrode-ka togan. Qadarka wax-soo-saarku wuxuu ku xiran yahay oo keliya dallacaadda marta: dallacaad Q = koronto I × waqti t, moolasha elektaroonnaduna = Q / F.

Tusaale la xaliyey. Koronto 2.50 A ah ayaa 30.0 min ku qulqusha xal CuSO₄ ah. Q = 2.50 A × 1800 s = 4500 C. Moolasha elektaroonnada = 4500 / 96,485 = 0.0466 mol. Cu²⁺ kastaa wuxuu u baahan yahay 2 elektaroon, sidaa darteed 0.0233 mol Cu ayaa la dhigaa, taasoo 63.55 g/mol ah 1.48 g.

Xisaabta dib ugu socodsii si aad u hesho waqtiga. Dahaadhidda 1.00 g oo silver ah (Ag⁺ + e⁻ → Ag) waxay u baahan tahay 1.00 / 107.87 = 0.00927 mol elektaroon, taasoo ah 894 C. 0.500 A taasi waxay qaadanaysaa 1789 s, qiyaastii 29.8 daqiiqo.

Khaladaadka calaamadda iyo xisaab-haynta ee mushkiladaha unugga

Khaladaadka badankooda elektarokimistari waa khaladaad calaamadeed. Qor badh-falgal kasta, u calaamadee oksaydhayn ama hoos-u-dhig, kadibna oo keliya samee xisaabta.

• Rogidda calaamadda awoodda anode-ka kadibna sidoo kale ka-jaristeeda, taasoo rogidda laba jeer tirisa.
• Ku dhufashada E° isku-dhuftaha loo isticmaalay isu-dheellitirka elektaroonnada.
• Isku qaldidda electrode-ka togan. Cathode-ku waa togan unug galvanic ah, laakiin anode-ku waa togan unug electrolytic ah.
• Isticmaalidda n khaldan ΔG° = −nFE° ama isleegga Nernst. n waa moolasha elektaroonnada la wareejiyey falgalka guud ee isu-dheellitiran.
• Ku haynta ΔG° joule marka jawaabta la rabo kilojoule, ama ka soo horjeedka.
• Qorista Q oo rogan isleegga Nernst. Wax-soo-saarradu waxay aadaan sare, sida qayb falgal kasta.
• Isticmaalidda daqiiqado halkii ilbiriqsiyo Q = It.