ইলেকট্রোড বিভব পরিমাপের উদাহরণমূলক প্রশ্ন ও আলোচনা
তড়িৎদ্বার বিভব পরিমাপ করা তড়িৎরসায়নের একটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ দিক। তড়িৎরসায়ন হলো রসায়নের একটি শাখা যা রাসায়নিক বিক্রিয়া এবং বিদ্যুতের মধ্যে সম্পর্ক নিয়ে অধ্যয়ন করে। তড়িৎদ্বার বিভব পরিমাপ করার ক্ষমতা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ, বিশেষ করে ব্যাটারি, ক্ষয় এবং তড়িৎবিশ্লেষণের মতো প্রয়োগের ক্ষেত্রে। এই প্রবন্ধে, আমরা তড়িৎদ্বার বিভব পরিমাপের প্রেক্ষাপটে কয়েকটি উদাহরণমূলক সমস্যা এবং তাদের সমাধান নিয়ে আলোচনা করব।
ইলেকট্রোড বিভব বোঝা
ইলেকট্রোড বিভব বা কোষ বিভব হলো একটি তড়িৎ-রাসায়নিক কোষে দুটি ইলেকট্রোডের মধ্যেকার বৈদ্যুতিক বিভব পার্থক্য। এটি বিভিন্ন পদ্ধতিতে পরিমাপ করা যায়, যার মধ্যে রয়েছে একটি আদর্শ নির্দেশক বিভব, যেমন—স্যাচুরেটেড ক্যালমেল ইলেকট্রোড (SCE) বা সিলভার/সিলভার ক্লোরাইড (Ag/AgCl) ইলেকট্রোড ব্যবহার করা। এই আদর্শ বিভবটি অন্যান্য ইলেকট্রোডের বিভব পরিমাপ ও তুলনা করার জন্য একটি মানদণ্ড হিসেবে কাজ করে।
মৌলিক সূত্র
প্রমিত অবস্থায় কোষ বিভব (\( E_{\text{sel}} \)) নিম্নলিখিত সূত্র দ্বারা প্রকাশ করা যায়:
\[ E_{\text{cell}}^\circ = E_{\text{cathode}}^\circ – E_{\text{anode}}^\circ \]
অথবা
\[ E_{\text{cell}} = E_{\text{cathode}} – E_{\text{anode}} \]
নমুনা প্রশ্ন ও আলোচনা
উদাহরণ প্রশ্ন ১: গ্যালভানিক কোষের বিভব পরিমাপ
প্রশ্ন:
একটি গ্যালভানিক কোষ দেওয়া আছে, যা একটি জিঙ্ক (Zn) এবং একটি কপার (Cu) ইলেকট্রোড নিয়ে গঠিত। প্রতিটি ইলেকট্রোড ZnSO₄ এবং CuSO₄-এর দ্রবণে নিমজ্জিত। জিঙ্কের প্রমাণ ইলেকট্রোড বিভব (E°) -0.76 V এবং কপারের +0.34 V। কোষ বিভব গণনা করুন এবং ইলেকট্রন প্রবাহের দিক নির্ণয় করুন।
উত্তর:
প্রথম ধাপ হলো অ্যানোড এবং ক্যাথোড শনাক্ত করা। তড়িৎ রসায়নে, অ্যানোড হলো সেই স্থান যেখানে জারণ (ইলেকট্রন ত্যাগ) ঘটে এবং ক্যাথোড হলো সেই স্থান যেখানে বিজারণ (ইলেকট্রন গ্রহণ) ঘটে।
– জিঙ্ক (Zn) ইলেকট্রোড জারিত হওয়ার প্রবণতা দেখায়:
\[
\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2\text{e}^- \quad (E^\circ = -0.76 \text{ V})
\]
– তামা (Cu) ইলেকট্রোড বিজারিত হওয়ার প্রবণতা দেখায়:
\[
\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu} \quad (E^\circ = +0.34 \text{ V})
\]
কোষ বিভব সূত্র ব্যবহার করে:
\[
E_{\text{cell}}^\circ = E_{\text{cathode}}^\circ – E_{\text{anode}}^\circ
= ০.৩৪ \text{ V} – (-০.৭৬ \text{ V})
= ০.৩৪ \text{ V} + ০.৭৬ \text{ V}
= ১.১০ ভোল্ট
\]
ইলেকট্রন প্রবাহের দিক হলো জিঙ্ক ইলেকট্রোড (অ্যানোড) থেকে কপার ইলেকট্রোড (ক্যাথোড)-এর দিকে।
উদাহরণ প্রশ্ন ২: অ-প্রমিত কোষ বিভব
প্রশ্ন:
একটি তড়িৎ-রাসায়নিক কোষ 0.1 M AgNO₃ দ্রবণে একটি রূপা (Ag) তড়িৎদ্বার এবং 0.01 M ZnSO₄ দ্রবণে একটি দস্তা (Zn) তড়িৎদ্বার দিয়ে তৈরি করা হয়েছে। রূপার প্রমাণ বিভব +0.80 V এবং দস্তার প্রমাণ বিভব -0.76 V। নার্নস্ট সমীকরণ ব্যবহার করে অ-প্রমাণ অবস্থায় কোষ বিভব গণনা করুন।
উত্তর:
নার্নস্ট সমীকরণটি হলো:
\[
E = E^\circ – \frac{RT}{nF} \ln Q
\]
কোথায় :
– \( E^\circ \) হলো প্রমাণ কোষ বিভব,
– \( R \) হলো সার্বজনীন গ্যাস ধ্রুবক (8.314 J/mol K),
– \( T \) হলো কেলভিন এককে তাপমাত্রা (যেমন, ২৯৮ K),
– \( n \) হলো স্থানান্তরিত ইলেকট্রনের মোল সংখ্যা,
– \( F \) হলো ফ্যারাডের ধ্রুবক (৯৬৪৮৫ কুলম্ব/মোল),
– \( Q \) হলো বিক্রিয়া ভাগফল।
কোষের প্রতিক্রিয়া:
\[
\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2 \text{e}^- \quad (অ্যানোড)
\]
\[
Ag⁺ + e⁻ → Ag (ক্যাথোড)
\]
এরপর, সম্পূর্ণ বিক্রিয়াটি লিখুন:
\[
Zn + 2Ag+ → Zn²⁺ + 2Ag
\]
লক্ষ্য করুন যে n=2 (দুটি ইলেকট্রন স্থানান্তরিত হয়েছে)। \( Q \)-এর মান গণনা করুন:
\[
Q = \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^+]^2} = \frac{0.01}{(0.1)^2} = \frac{0.01}{0.01} = 1
\]
যেহেতু \(\ln 1 = 0\), তাহলে নার্নস্ট সমীকরণটি হলো:
\[
E = E^\circ – \frac{RT}{nF} \ln Q = E^\circ
\]
সুতরাং আমাদের প্রমাণ বিভব থেকে কেবল \( E^\circ \) গণনা করতে হবে:
\[
E_{\text{cell}}^\circ = E_{\text{cathode}}^\circ – E_{\text{anode}}^\circ
= ০.৩৪ \text{ V} – (-০.৭৬ \text{ V})
= ০.৩৪ \text{ V} + ০.৭৬ \text{ V}
= ১.১০ ভোল্ট
\]
সুতরাং, অ-প্রমিত পরিস্থিতিতে কোষ বিভব 1.56 V থাকে, কারণ \(\ln Q\) শূন্য।
উপসংহার
রসায়নে, বিশেষ করে তড়িৎ-রাসায়নিক প্রয়োগের জন্য, তড়িৎদ্বার বিভব পরিমাপ করা একটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ দক্ষতা। প্রমাণ বিভব, নির্দেশক তড়িৎদ্বারের ব্যবহার এবং নার্নস্ট সমীকরণের প্রয়োগের মতো মৌলিক ধারণাগুলো বোঝার মাধ্যমে আমরা তড়িৎদ্বার বিভব পরিমাপ সম্পর্কিত বিভিন্ন সমস্যার সমাধান করতে পারি। আলোচিত উদাহরণগুলো প্রমাণ এবং অপ্রমাণ উভয় অবস্থাতেই কোষ বিভব নির্ণয়ের জন্য প্রয়োজনীয় প্রক্রিয়া ও ধাপগুলোর একটি সামগ্রিক ধারণা দেয়। আশা করি, এই নিবন্ধটি আপনাকে তড়িৎ-রসায়ন গবেষণাগারে তড়িৎদ্বার বিভব পরিমাপের ধারণাটি বুঝতে ও প্রয়োগ করতে সাহায্য করবে।
